数学建模（三）整数规划

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一、整数规划基本原理

数学规划中的变量（部分或全部）限制为整数时，称为整数规划。若在线性规划模型中，变量限制为整数，则称为整数线性规划。目前所流行的求解整数规划的方法，往往只适用于整数线性规划。目前还没有一种方法能有效地求解一切整数规划。

1.1 整数规划的分类

(1)变量全限制为整数时，称为纯（完全）整数规划。

(2)变量部分限制为整数的，称为混合整数规划。

(3)变量取值要么为0要么为1，称为0-1规划。

1.2 整数规划的特点

1. 原线性规划有最优解，当自变量限制为整数后，其整数规划解出现下述情况：

    (1)原线性规划最优解全是整数，则整数规划最优解与线性规划最优解一致。

    (2)整数规划可能不存在可行解。

    (3)有可行解(当然就存在最优解)，但最优解值变差。

2. 整数规划最优解不能按照实数最优解简单取整而获得。

1.3 案例

合理下料问题：

设用某型号的圆钢下零件A1,A2...,Am的毛坯。在一根圆钢上下料的方式有B1,B2,... Bn种，每种下料方式可以得到各种零件的毛坯数以及每种零件的需要量，如表所示。问怎样安排下料方式，使得即满足需要，所用的原材料又最少?

如表所示：

 模型：

其中，xj表示用Bj种方式下料根数，aij为每种下料方式可以得到各种零件的毛坯数，bi每种零件的需要量。

1.4  整数规划的数学模型一般形式

另外补充： 整数规划与松弛的线性规划之间的关系。

不难看出两者之间的关系。

 

 

二、整数线性规划的求解方法

        从数学模型上看整数规划似乎是线性规划的一种特殊形式，求解只需在线性规划的基础上，通过舍入取整，寻求满足整数要求的解即可。但实际上两者却有很大的不同，通过舍入得到的解（整数）也不一定就是最优解，有时甚至不能保证所得到的解是整数可行解。

2.1 分枝定界法

1. 先求出相应松弛问题的最优解。

2. 若松弛问题无可行解，则整数线性规划问题无可行解。

3. 若求得的松弛问题最优解符合整数要求，则是整数线性规划问题的最优解。若不满足整数条件，则任选一个不满足整数条件的变量 来构造新的约束，分别添加到松弛问题中形成两个子问题：

                                                        和

依次在缩小的可行域中求解新构造的线性规划的最优解，并重复上述过程，直到子问题无解或有整数最优解（被查清）。

 

Q：为什么在步骤3中不满足整数条件时要添加上述两个约束条件？

A：因为变量 是一个不满足整数条件的变量，它注定无法构成整数规划的最优解，因此我们要向变量 的两边去寻找合适的整数最优解。

注意：构造新的约束条件是分别到整数规划问题对应的松弛问题中，独立构成两个不同的子问题再求解。

详情参考：分枝定界法

案例：分枝定界法总体上有点像二叉树，能看懂下面的案例基本就能理解分枝定界法。

 

2.2 割平面法