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Introduction to Linear Optimization 2.1 多面體和凸集

2021-02-26 11:13:12 其他

0 序言

最近打算在CSDN上將自己學習本書的程序記錄下來,整個系列對于我來說更像是讀書筆記,同時也放在網上供大家閱讀,由于本人非數學科班出身,僅僅是對運籌優化方面有興趣而學習,因此對于某些定義的理解、把握以至于推導不甚精通,其中若有錯誤,還希望大家不吝指教,

本書第一章Introduction中內容我已略去,其主要原因是該章節內容比較基礎且多為介紹性的內容,基本上沒有理解性的內容,因此主要從第二章線性規劃圖解法開始寫,書中某些難度較高以至于不適合初學者學習的章節我也都會略過,

全書共12章,2至5章為線性規劃主要內容,分別為:

  1. 線性規劃圖解法
  2. 單純形法
  3. 對偶理論
  4. 靈敏度分析

在國內運籌學教材上普遍存在的內容,如:運輸問題、線性目標規劃、圖論、排隊論、存盤論等等,非本系列的重點,本系列主要重點是圍繞著 Introduction to Linear Optimization 展開討論的,因此如排隊論,存盤論等內容,本系列不會出現,而對于圖論、整數規劃等內容,也非本系列的重點,我本人也不會在此類章節上過多的費口舌,

國內部分高校本科所開設的運籌學這門課程,通常為一個學期結課,因此對于很多本科學習過運籌學的同學(非數學專業),通常都存在著困惑,學習完之后感覺這門學科好像很厲害,但是卻不明白其中的道理為何,本人也是如此,因此本系列最好的受眾就是對于運籌學有一些基礎的了解,但又不明其理、或是初學運籌學的同志們當作筆記閱讀,

在這里我再次宣告:本人非數學科班出身,僅僅是浩如煙海般的群眾的一部分,沒有接受過什么教育,本人對于運籌學的認知是非常淺薄的,僅僅因為興趣而為之,因此,若你是業界學術大佬,對于文章中的錯誤還望不吝指教,我再此再三感激;若你是與我一樣的初學者,我希望我們更是以一種同學的身份共同進步,

(宣告:本書絕大多數專有名詞我都會用中英文結合的方式來表示出,如:極點(extreme points),但是當遇到過于簡單的專有名詞的時候,如:線性規劃圖解法(The geometry of linear programming),我僅僅會表達中文意思,當遇到我自己認為沒有合適的中文名詞對應的專有名詞時,我會采用原書的英文表達方式,并附加我對其的一些理解)


1. 超平面,半空間和多面體

多面體的表示

我們先來看原書中的幾個定義:
Definition 2.1 A polyhedron is a set that can be described in the form {x ∈ Rn | Axb}, where A is an m*n matrix and b is a vector in Rm.
注:Rn與Rm分別代表n維和m維的歐式空間

從代數的角度理解多面體(polyhedron),即多面體是一個n維列向量 x 的集合,該集合中的所有元素 x 滿足線性方程組 Axb

若從幾何的角度理解多面體,不妨先從低維度的來看
我們以二維為例

假設在xOy平面內,存在如下集合

x - y ≥ -3
2*x + y ≤ 6
x,y ≥ 0

即該集合所表示的圖形如下圖綠色區域所示
在這里插入圖片描述x 的維數上升至3維時,一個多面體的形狀就變為了3維歐式空間中的“體”,當維數超過3維達到更高的n維時,便沒有直觀上的圖來描述了,因為我們所生活的世界就是3維歐式空間,

多面體的分類

不同的多面體根據其集合所包含的方程組不同,主要可以分為有界的(bounded)與無界的(unbounded),在上一個例子中展示出的多面體即為有界的,顯而易見,我們很容易給出一個無界的多面體的例子,如:

x ≥ 0
y ≥ 0

即為xOy坐標系的第一象限(圖略)

超平面與半空間的表示

Definition 2.2 Let a be a nonzero vector in Rn and let b be a saclar.
(a) The set {x ∈ Rn | a’x = b} is called a hyperplane.
(b) The set {x ∈ Rn | a’x ≥ b} is called a halfspace.
注:a’ 代表列向量 a 的轉置

超平面在2維情況下為一條直線,在3維情況下為一個平面,以此類推,

而半空間即為空間的一半,我們知道,在任意維數(n ≥ 1)情況下,其所構成的空間皆是無限的,如:一根直線,一個平面,一個體…

因此我們在平面上任意確定的一點,在平面上任意確定的一條線,在體內任意確定的一個平面,都可以將對應的空間劃分為兩半,因此我們稱其為半空間,而兩個半空間之間的界限,我們稱其為超平面,


2.凸集

Definition 2.3 A set S ? Rn is convex if for any x,y ∈ S, and any λ∈[0,1], we have λx + (1 - λ)y ∈ S.

凸集(convex sets)的定義是非常容易從幾何的角度去理解的,如上例所示的在二維歐式空間內的多面體:
在這里插入圖片描述
從直觀上理解即:該多面體所構成的集合沒有“凹”的地方,即:集合內任意兩點(元素)的連線上的所有點(元素)仍在集合內,

一些定理

通過以上的一些定義,我們可以得到下述定理:
Theorem 2.1
(1) The intersection of convex sets is convex.
(2) Every polyhedron is convex set.
(3) A convex combination of a finite number of elements of a convex set *

證明略


小結

本節主要介紹了有關于多面體(polyhedron)與凸集(convex set)及其相關的知識,這一部分的內容是 LP 的基礎理論部分,或許在初學時不明白為何要出現這么多的“奇怪的”定理及定義,這說明你對于LP的理解仍不夠深入,簡單來說,美國前運籌學會主席S.Bonder認為,運籌學應在三個領域發展:

  1. 運籌數學
  2. 運籌學應用
  3. 運籌科學

而運籌數學時運籌學理論的支柱部分,有著嚴密的理論證明,固然給運籌學的高樓打下了堅實的地基,這在某一方面來說是好事,但是這一點也使得很多專家過于深入于運籌數學深處,而忘記運籌學的初衷——解決實際問題,忽略了多學科的橫向交叉聯系和解決實際問題的客觀需求,

而本節及后續幾節所敘述的內容,主要屬于運籌數學方向的內容,目的是為了保證運籌學的數學邏輯嚴密性,初學者對于這些定理不解其意也無妨大局,當學習到后面的內容時,再回過頭來看自然會恍然大悟,

我認為這些晦澀的基本理論的學習對于初學者不甚友好,因此我建議對于運籌理論認識尚淺的同學一定要多進行數形結合,不單單是從代數的角度理解,更是從一種幾何的角度去理解;而且初學時,切勿鉆牛角尖;這樣對于定理的學習大有裨益,

好比本節中所學的多面體與凸集,通過數形結合,可以很直觀的理解其所代表的含義,

參考文獻

[1] Dimitris Bertsimas,John N. Tsitsiklis . Introduction to Linear Optimization[M]. 1997: 42-46
[2] 運籌學教材撰寫組. 運籌學[M]. 清華大學出版社, 2012年第四版: 3-12

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