L2 Lösen von Linearen Optimierungsproblemen
Simplexalgorithmus mit vorhandener zulässiger Lösung (2. Phase)
Der Simplexalgorithmus besteht aus zwei Phasen. Da alle bisherigen Ausführungen auf einem vereinfachten Modell fußen, bei dem immer schon nach Aufstellen des Tableaus eine zulässige Basislösung vorliegt, kann mit der 2. Phase begonnen werden.
Um gleich zu Beginn das Geheimnis zu lüften, die Optimierung erfolgt beim Simplexalgorithmus über eine Folge von Basistäuschen. Da der maximale Zielwert gesucht wird, ist es zielführend, wenn sich der Zielwert bei jedem Basistausch vergrößert. Weiterhin muss sichergestellt werden, dass die Nichtnegativitätsbedingungen eingehalten werden.
Bei einem Basistausch ist zu entscheiden, welche Variable die Basis verlassen soll und welche aufgenommen werden soll. Die aufzunehmende Variable wird über die Auswahl der Pivotspalte festgelegt, die verlassende über die Pivotzeile. Anders ausgedrückt, es wird festgelegt, welche Variable einen höheren Wert annehmen soll und welche auf null gesetzt wird.
Auswahl der Pivotspalte (=Aufzunehmenden Basisvariablen)
Wähle als Pivotspalte eine Spalte s, für die gilt:
Falls cs≥0 Abbruch, das Optimum ist erreicht.
In Worten: Suche den kleinsten Koeffizienten in der Zielzeile, die Spalte in der er steht ist die Pivotspalte. Ist der kleinste Koeffizient größer als 0, ist bereits das Optimum erreicht und es braucht nicht weiter gerechnet zu werden.
Erhöht man den Wert einer Variablen xj um eine Einheit, so ändert sich der Zielwert um cj. Aufgrund der Umformungen beim Aufstellen des Tableaus steigt der Zielwert, wenn man den Wert einer Variable mit negativen Zielzeilenkoeffizienten erhöht und sinkt bei einer mit positiven.
Deswegen wird der kleinste Zielzeilenkoeffizient gesucht, er verspricht die größte Erhöhung des Zielwertes. Existiert kein negativer Zielzeilenkoeffizient, gibt es keine Möglichkeit den Zielfunktionswert zu erhöhen. Es ist von daher nicht sinnvoll, einen Basistausch vorzunehmen, das Optimum ist erreicht.
Im Tableau wird gemäß vorstehender Regel die x2 Spalte als Pivotspalte gewählt.
Auswahl der Pivotzeile (=die Basis verlassende Variable)
Die Auswahl der Pivotzeile r erfolgt nach dem Quotientenkriterium.
Wähle eine Zeile r für die gilt:
Um die Pivotzeile zu bestimmen, wird für jede Zeile, in der sich ein positiver Koeffizient in der Pivotspalte befindet, der Qutient aus dem Wert auf der rechten Seite und dem Koeffizienten der Pivotspalte gebildet.
Es wird die Zeile gewählt, in der der Quotient am kleinsten ist. In diesem Beispiel ist es die Zeile der zweiten Nebenbedingung, die Variable x4 verlässt die Basis, d.h. sie nimmt den Wert null an.
Über diese Auswahlregel wird die Nichtnegativität der Variablen sichergestellt.
Eine ausführliche Betrachtung
Ausgeschrieben lautet die erste Nebenbedingung:
0,8·x1+ 0,8·x2 + x3 =80
Ursprünglich sind x1 und x2 null, da es Nichtbasisvariablen sind. Nun soll x2 erhöht werden, x1 bleibt in dieser Iteration null und ist für die Betrachtung unerheblich.
0,8·x2 + x3 =80
Wie verhält sich der Wert von x3 in Abhängigkeit von x2? Durch Auflösen nach x3 lässt sich das gut erkennen:
x3 =80 - 0,8·x2
Je größer x2 ist, desto kleiner wird x3. Um die Nichtnegativitätsbedingung zu erfüllen, darf x3 aber nicht kleiner als null werden. Wie groß darf x2 werden? 0 =80 - 0,8·x2
x2=80/0,8
x2=100.
Vorstehendes ist nichts anderes als der oben gebildete Quotient. Da keine Variable negative Werte annehmen darf, wird das für jede Zeile geprüft. Die Zeile, die die kleinste Erhöhung zulässt, ist einschränkend. Die Schlupfvariable in dieser Zeile wird null und verlässt die Basis.
Für Zeilen in denen der Koeffizient in der Pivotspalte negativ bzw. null ist, braucht der Quotient nicht gebildet werden. Wird in einer Zeile mit negativem Koeffizient die Variable erhöht, steigt der Wert der Basisvariablen ebenfalls, ist der Koeffizient null besteht kein Einfluss.
Betrachtung am Beispiel:
Wie bei der Wahl der Pivotspalte festgelegt wurde, soll nun möglichst viel Superfruchtmüsli hergestellt werden. Welche Zutat geht als erstes aus?
- Haferflocken: 80 kg vorhanden, benötigt werden 0,8 kg pro kg Superfruchtmüsli, die Haferflocken reichen für 100 kg Müsli aus.
- Trockenobst: 16 kg vorhanden, benötigt werden 0,2 kg pro kg Superfruchtmüsli, das Trockenobst reicht für 80 kg Müsli aus.
- Nüsse: Werden keine für das Superfruchtmüsli benötigt, von daher nicht einschränkend.
Das Trockenobst beschränkt die herstellbare Menge Müsli, werden 80 kg Superfruchtmüsli hergestellt wird es restlos aufgebraucht, es verbleibt jedoch ein Rest von 16 kg Haferflocken.