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线性规划问题算法

2022/07/16134 作者:佚名
导读:单纯形算法利用多面体的顶点构造一个可能的解,然后沿着多面体的边走到目标函数值更高的另一个顶点,直至到达最优解为止。虽然这个算法在实际上很有效率,在小心处理可能出现的“循环”的情况下,可以保证找到最优解,但它的最坏情况可以很坏:可以构筑一个线性规划问题,单纯形算法需要问题大小的指数倍的运行时间才能将之解出。事实上,有一段时期内人们曾不能确定线性规划问题是NP完全问题还是可以在多项式时间里解出的问题。

单纯形算法利用多面体的顶点构造一个可能的解,然后沿着多面体的边走到目标函数值更高的另一个顶点,直至到达最优解为止。虽然这个算法在实际上很有效率,在小心处理可能出现的“循环”的情况下,可以保证找到最优解,但它的最坏情况可以很坏:可以构筑一个线性规划问题,单纯形算法需要问题大小的指数倍的运行时间才能将之解出。事实上,有一段时期内人们曾不能确定线性规划问题是NP完全问题还是可以在多项式时间里解出的问题。

第一个在最坏情况具有多项式时间复杂度的线性规划算法在1979年由前苏联数学家Leonid Khachiyan提出。这个算法建基于非线性规划中Naum Shor发明的椭球法 (ellip-soid method),该法又是Arkadi Nemirovski(2003年冯‧诺伊曼运筹学理论奖得主)和 D. Yudin的凸集最优化椭球法的一般化。

理论上,“椭球法”在最恶劣的情况下所需要的计算量要比“单形法”增长的缓慢,有希望用之解决超大型线性规划问题。但在实际应用上,Khachiyan的算法令人失望:一般来说,单纯形算法比它更有效率。它的重要性在于鼓励了对内点算法的研究。内点算法是针对单形法的“边界趋近”观念而改采“内部逼近”的路线,相对于只沿着可行域的边沿进行移动的单纯形算法,内点算法能够在可行域内移动。

1984年,贝尔实验室印度裔数学家卡马卡(Narendra Karmarkar)提出了投影尺度法(又名Karmarkar's algorithm)。这是第一个在理论上和实际上都表现良好的算法:它的最坏情况仅为多项式时间,且在实际问题中它比单纯形算法有显著的效率提升。自此之后,很多内点算法被提出来并进行分析。一个常见的内点算法为Mehrotra predictor-corrector method。尽管在理论上对它所知甚少,在实际应用中它却表现出色。

单形法沿着边界由一个顶点移动到“相邻”的顶点,内点算法每一步的移动考量较周详,“跨过可行解集合的内部”去逼近最佳解。当今的观点是:对于线性规划的日常应用问题而言,如果算法的实现良好,基于单纯形法和内点法的算法之间的效率没有太大差别,只有在超大型线性规划中,顶点几成天文数字,内点法有机会领先单形法。

线性规划的求解程式在各种各样的工业最优化问题里被广泛使用,例如运输网络的流量的最优化问题,其中很多都可以不太困难地被转换成线性规划问题。

线性规划理论中存在几个尚未解决的问题,这些开放问题的答案将会是数学运算中的根本突破,并且很可能是我们解决大规模线性规划问题的主要进展。

  • LP存在强多项式时间算法吗?

  • LP存在多项式时间算法以得到一个严格互补解吗"list-dot list-dot-paddingleft">

    LP在实数(单位成本)模型下存在多项式时间算法吗"para" label-module="para">

    这些问题已经由斯蒂芬·斯梅尔在二十一世纪十八个尚未解决的最伟大的问题中应用。用斯梅尔的话来说,“第三个问题是线性规划理论中最主要的尚未解决的问题”。然而,对于线性规划问题存在弱多项式时间算法,比如椭球算法和内点算法,尚未发现限制在约束条件个数和变量个数的强多项式时间算法,此算法的发展将会带来理论上重大意义,或者是解决大规模线性规划上的实际收益。

    线性规划问题整数规划

    要求所有的未知量都为整数的线性规划问题叫做整数规划(integer programming, IP)或整数线性规划(integer linear programming, ILP)问题。相对于即使在最坏情况下也能有效率地解出的线性规划问题,整数规划问题的最坏情况是不确定的,在某些实际情况中(有约束变量的那些)为NP困难问题。

    0-1整数规划是整数规划的特殊情况,所有的变量都要是0或1(而非任意整数)。这类问题亦被分类为NP困难问题 。

    只要求当中某几个未知数为整数的线性规划问题叫做混合整数规划(mixed integer programming, MIP)问题。这类问题通常亦被分类为NP困难问题。

    存在着几类IP和MIP的子问题,它们可以被有效率地解出,最值得注意的一类是具有完全单位模约束矩阵,和约束条件的右边全为整数的一类。

    一个解决大型整数线性规划问题的先进算法为delayed column generation。2100433B

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