Açıköğretim ders notları öğrenciler tarafından ders çalışma esnasında hazırlanmakta olup diğer ders çalışacak öğrenciler için paylaşılmaktadır. Sizlerde hazırladığınız ders notlarını paylaşmak istiyorsanız bizlere iletebilirsiniz.
Açıköğretim derslerinden Yöneylem Araştırması Dersi 4. Ünite Özet için hazırlanan ders çalışma dokümanına (ders özeti / sorularla öğrenelim) aşağıdan erişebilirsiniz. AÖF Ders Notları ile sınavlara çok daha etkili bir şekilde çalışabilirsiniz. Sınavlarınızda başarılar dileriz.
Doğrusal bağımsız vektörlerden oluşan, m denklem ve n değişkenin olduğu (m x n’lik ve m < n) bir sistemin çözümünde, diğer (n – m) tane değişken sıfır değerini almak üzere, ancak denklem sayısı (m) kadar değişkene değer bulunabilir. Burada, sıfır değeri verilen değişkenlere temel dışı, değer alması için çözüme alınan değişkenlere ise temel değişken denir. Temel dışı değişkenler sıfır iken temel değişkenler için bulunan çözüme temel çözüm denir. Bir temel çözümde tüm temel değişkenler sıfır veya sıfırdan büyük değer aldıysa bu çözüme bir temel uygun çözüm denir ve bir temel uygun çözüm aynı zamanda bir uç nokta demektir.
Analitik yöntem, basitçe yukarıdaki gibi uygulanmakta ve kısıtları eşitlik haline getirilmiş bir denklem sisteminin belirtilen şekilde tüm çözümlerini elde ederek içlerinden temel uygun çözüm (uç nokta) olanlarını bulmaktadır. Temel uygun çözüm olma özelliği sağlayanlar arasından amaç fonksiyonu değerini eniyileyen, problemin en iyi çözümünü verecektir.
Simpleks Algoritması, grafik ve analitik yöntemlerin uygulamadaki güçlüklerini taşımayan, ardışık sayısal çözüm tekniği sınıfında bir yöntemdir. Basitçe izlediği yol, bir uç noktadan başlayarak amaca göre daha iyi çözüm verecek başka bir uç noktaya geçmek (eğer varsa) ve istenen yönde iyileşmenin olmadığı durumda da durmaktır. Simpleks Algoritması ile problemin denklem sistemini çözen, uç nokta olsun olmasın tüm noktalarını bulmak gerekmediği gibi, sadece uç noktaların bile tümünün sınanmasına gerek kalmayabilmektedir. Algoritma, her adımda, uygun çözüm alanının bir uç noktasını bulup irdelemekte ve bu noktanın en iyi çözüm olup olamayacağını sınamaktadır. Nokta en iyi çözüm değilse, amaca göre daha iyi bir çözüm verecek izleyen uç noktayı bulur. Bazı durumlarda da problemin uygun çözüm alanı boş kümedir yani tüm kısıtları sağlayan tek bir çözüm bile yok demektir. Benzer şekilde özel durumlardan birisi de problemin sınırsız veya birden fazla uç noktada en iyi çözümünün olmasıdır.
AX = b şeklindeki, doğrusal bağımsız vektörlerden oluşan, m denklem ve n değişkenin olduğu (m x n’lik ve m < n) bir sistemin çözümünde, diğer (n – m) tane değişken sıfır değerini almak üzere, ancak denklem sayısı (m) kadar değişkene değer bulunabilir.
Verilen denklem sisteminin diğer temel çözümleri de benzer şekilde her seferinde farklı iki diğer değişken temelde, geriye kalanlar temel dışında alınarak bulunabilir. Bunların arasından uç nokta olanlar tüm değişkenleri ? 0 koşulunu sağlayanlardır.
Analitik yöntem, verilen denklem sisteminin tüm temel çözümleri bulunduktan sonra, içlerinden uç nokta olanlarının bir amaç fonksiyonunda değerlendirilip en iyisinin bulunması ile sonuçlanır.
Simpleks Algoritması analitik yöntemin temellerini esas alan, temel ve temel olmayan değişkenlerin belirlenmesinden sonra amaç fonksiyonu değeri iyileşecekse, bir uç noktadan diğerine geçen ardışık bir çözümleme tekniği olarak tanımlanır.
Simpleks Algoritması’nın temel adımları kitabınızın 72. Sayfasında yer alan Örnek 4.3’e göre açıklanmıştır.
Simpleks Algoritması bir başlangıç temel uygun çözüm ile başlar. Bu başlangıç uç nokta, s.73’de verilen (x 1 , x 2 , s 1 , s 2 ) = (30, 0, 10, 0) gibi kısıtları sağlayan herhangi bir uç nokta olabileceği gibi, pratik olarak başlangıç modelde A katsayılar matrisinde yer alan mxm boyutundaki birim matrise (kendiliğinden varsa veya kısıtlar eşitlik haline getirildiğinde oluşmuşsa) karşı gelen değişkenler başlangıç temel uygun çözümü oluşturmak üzere alınırlar.
Verilen modelin kısıtları eşitlik haline getirildikten sona A katsayılar matrisinde denklem sayısı boyutundaki birim matrise karşı gelen değerler (örnek 4.3’de 2×2’lik birim matris) başlangıç temel değişkenler olarak alınırlar. Simpleks Algoritması mantığı tablolar yardımıyla, denklemleri tümüyle yazmadan sadece katsayılar temelinde de yürütülebilir. Buna göre, s 1 ve s 2 ’nin başlangıç temel değişkenler olduğu duruma karşı gelen çözüm ve izleyen işlemler, tablo yardımıyla izleyen bölümde açıklandığı gibi gerçekleşir.
Simpleks Algoritması’nı uygulayabilmek için verilen denklem sisteminin kısıtlarının eşitlik haline getirilmesi gerekir. Bu durumda m denklem ve n değişkenli AX = B sisteminde mxm’lik bir birim matris varsa, karşı gelen değişkenler başlangıç temel değişkenler olarak alınırlar. Bu ünitede yalnızca bu durumun sağlandığı örneklere yer verilip standart Simpleks Algoritması anlatılmaktadır. Öte yandan birim matrisin denklem sistemi eşitlik haline getirildiğinde kendiliğinden elde edilmediği durumlarda, sisteme, gerektiği kadar yeni değişken eklentisiyle bu eksiklik giderilmektedir. Bu tür değişkenlere yapay değişken denip, bu durumda bilinen Simpleks Algoritması’nın özel bir hali uygulanır.
x 0 – 4×1 – 3×2 = 0 şeklinde tanımlanan ve belirtilen temel değişken takımı (s 1 ve s 2 ) başlangıç çözüm alınarak aşağıdaki tabloya yerleştirilir. Bu tablo oluşturulurken x0 ile gösterilen satır amaç fonksiyonuna diğer izleyen satırlar ise problemin verilen kısıtlarına karşı gelir.
Amaç fonksiyonu satırı x 0 + C.X = 0 formatında alınır. Temel değişkenler yerine, temel olmayan değişkenler cinsinden, kısıtların çözümü ile bulunan eşdeğerleri yazıldığından, temel değişkenlere karşı gelen katsayılar sıfır olup, bu satır, amaç fonksiyonunun temel olmayan değişkenler cinsinden ifadesidir. Temelde olmayan değişkenlerin katsayılarına göre de, bilindiği gibi, temele girecek değişkenin olup olmadığı değerlendirilir.
x 0 satırı amaç fonksiyonunun temel olmayan değişkenler cinsinden ifadesi olup, burada x 1 değişkeni temele girecek değişken olarak belirlenir. Amaç fonksiyonundaki katsayısının -4 olması, X 0 = C.X fonksiyonunda bu değişkenin katsayısının pozitif (+) olması demek olup, x1‘in temele alınması durumunda amaç fonksiyonu değerinin büyüyeceğini göstermektedir.
Sayfa 76, 77, 78’deki tabloları sırasıyla inceleyiniz.
Matematiksel modele karşı gelen denklem sistemi,
A : Tüm değişkenlere karşı gelen katsayılar matrisi, X değişken vektörü, b kaynak (sağ taraf sabitleri) vektörü iken,
olmak üzere AX = b şeklinde yazılabilir. Karşı gelen matris çarpımları,
gerçekleştirildiğinde,
x 1 + x 2 + s 1 = 40
2x 1 + x 2 +s 2 = 60
denklem sistemi yeniden elde edilir. Amaç fonksiyonu da benzer şekilde,
X 0 = CX şeklinde tanımlanarak, C = (4 3 0 0)
olarak alınıp
olarak elde edilir. Böylece doğrusal karar modelinin
AX = b, X ? 0 , Enb X 0 = CX
şeklinde de ifade edilebileceği gösterilmiş olur.
Simpleks Algoritması’nda değişkenler, önceki örnekte de görüldüğü gibi temel ve temel olmayan olmak üzere iki gruba ayrılırlar. Bu durumda,
X B : Temel değişkenler vektörü
X R : Temel olmayan değişkenler vektörü
olmak üzere X vektörü aşağıdaki gibi iki parçalı olarak
aşağıdaki gibi gösterilebilir.
Benzer şekilde, AX = b modelindeki A matrisi ile
Enb X 0 = CX fonksiyonundaki C vektörü de şu şekilde parçalanabilir;
B: Temel değişkenlere A katsayılar matrisinde karşı gelen matris
R: Temel olmayan değişkenlere A katsayılar matrisinde karşı gelen matris
C B : Temel değişkenlere C’de karşı gelen katkı vektörü
C R : Temel olmayan değişkenlere C’de karşı gelen katkı vektörü iken
C = (C B , C R ), A = (B,R) şeklinde gösterilebilir.
Sayfa 79,80’deki enbüyükleme problemini gözönüne alalım Enbüyüklemede incelenen bu örnekte temelde yer almayan x 1 değişkeninin amaç fonksiyonu satırındaki değeri olan -4, bu değişkenin temele alınması gerektiğini belirtir. Benzer şekilde devam edildiğinde temel olmayan değerler arasında katsıyısı negatif olan bir değişkenin kalmaması enbüyükleme için eniyilik koşulunun sağlandığını gösterir.
Verilen problem enküçükleme olursa yine benzer yaklaşım geçerlidir. Fakat bu durumda yer almayan değişkenler içerisinde amaç fonksiyonu satırındaki katsayısı negatif değil pozitif olan değişken amaç fonksiyonu değerini azaltacağından bu değişkenler temele alınmalıdır. Benzer şekilde katsıyısı pozitif olan bir değişkenin kalmaması enküçükleme için eniyilik koşulunun sağlandığını gösterir.
Doğrusal bağımsız vektörlerden oluşan, m denklem ve n değişkenin olduğu (m x n’lik ve m < n) bir sistemin çözümünde, diğer (n – m) tane değişken sıfır değerini almak üzere, ancak denklem sayısı (m) kadar değişkene değer bulunabilir. Burada, sıfır değeri verilen değişkenlere temel dışı, değer alması için çözüme alınan değişkenlere ise temel değişken denir. Temel dışı değişkenler sıfır iken temel değişkenler için bulunan çözüme temel çözüm denir. Bir temel çözümde tüm temel değişkenler sıfır veya sıfırdan büyük değer aldıysa bu çözüme bir temel uygun çözüm denir ve bir temel uygun çözüm aynı zamanda bir uç nokta demektir.
Analitik yöntem, basitçe yukarıdaki gibi uygulanmakta ve kısıtları eşitlik haline getirilmiş bir denklem sisteminin belirtilen şekilde tüm çözümlerini elde ederek içlerinden temel uygun çözüm (uç nokta) olanlarını bulmaktadır. Temel uygun çözüm olma özelliği sağlayanlar arasından amaç fonksiyonu değerini eniyileyen, problemin en iyi çözümünü verecektir.
Simpleks Algoritması, grafik ve analitik yöntemlerin uygulamadaki güçlüklerini taşımayan, ardışık sayısal çözüm tekniği sınıfında bir yöntemdir. Basitçe izlediği yol, bir uç noktadan başlayarak amaca göre daha iyi çözüm verecek başka bir uç noktaya geçmek (eğer varsa) ve istenen yönde iyileşmenin olmadığı durumda da durmaktır. Simpleks Algoritması ile problemin denklem sistemini çözen, uç nokta olsun olmasın tüm noktalarını bulmak gerekmediği gibi, sadece uç noktaların bile tümünün sınanmasına gerek kalmayabilmektedir. Algoritma, her adımda, uygun çözüm alanının bir uç noktasını bulup irdelemekte ve bu noktanın en iyi çözüm olup olamayacağını sınamaktadır. Nokta en iyi çözüm değilse, amaca göre daha iyi bir çözüm verecek izleyen uç noktayı bulur. Bazı durumlarda da problemin uygun çözüm alanı boş kümedir yani tüm kısıtları sağlayan tek bir çözüm bile yok demektir. Benzer şekilde özel durumlardan birisi de problemin sınırsız veya birden fazla uç noktada en iyi çözümünün olmasıdır.
AX = b şeklindeki, doğrusal bağımsız vektörlerden oluşan, m denklem ve n değişkenin olduğu (m x n’lik ve m < n) bir sistemin çözümünde, diğer (n – m) tane değişken sıfır değerini almak üzere, ancak denklem sayısı (m) kadar değişkene değer bulunabilir.
Verilen denklem sisteminin diğer temel çözümleri de benzer şekilde her seferinde farklı iki diğer değişken temelde, geriye kalanlar temel dışında alınarak bulunabilir. Bunların arasından uç nokta olanlar tüm değişkenleri ? 0 koşulunu sağlayanlardır.
Analitik yöntem, verilen denklem sisteminin tüm temel çözümleri bulunduktan sonra, içlerinden uç nokta olanlarının bir amaç fonksiyonunda değerlendirilip en iyisinin bulunması ile sonuçlanır.
Simpleks Algoritması analitik yöntemin temellerini esas alan, temel ve temel olmayan değişkenlerin belirlenmesinden sonra amaç fonksiyonu değeri iyileşecekse, bir uç noktadan diğerine geçen ardışık bir çözümleme tekniği olarak tanımlanır.
Simpleks Algoritması’nın temel adımları kitabınızın 72. Sayfasında yer alan Örnek 4.3’e göre açıklanmıştır.
Simpleks Algoritması bir başlangıç temel uygun çözüm ile başlar. Bu başlangıç uç nokta, s.73’de verilen (x 1 , x 2 , s 1 , s 2 ) = (30, 0, 10, 0) gibi kısıtları sağlayan herhangi bir uç nokta olabileceği gibi, pratik olarak başlangıç modelde A katsayılar matrisinde yer alan mxm boyutundaki birim matrise (kendiliğinden varsa veya kısıtlar eşitlik haline getirildiğinde oluşmuşsa) karşı gelen değişkenler başlangıç temel uygun çözümü oluşturmak üzere alınırlar.
Verilen modelin kısıtları eşitlik haline getirildikten sona A katsayılar matrisinde denklem sayısı boyutundaki birim matrise karşı gelen değerler (örnek 4.3’de 2×2’lik birim matris) başlangıç temel değişkenler olarak alınırlar. Simpleks Algoritması mantığı tablolar yardımıyla, denklemleri tümüyle yazmadan sadece katsayılar temelinde de yürütülebilir. Buna göre, s 1 ve s 2 ’nin başlangıç temel değişkenler olduğu duruma karşı gelen çözüm ve izleyen işlemler, tablo yardımıyla izleyen bölümde açıklandığı gibi gerçekleşir.
Simpleks Algoritması’nı uygulayabilmek için verilen denklem sisteminin kısıtlarının eşitlik haline getirilmesi gerekir. Bu durumda m denklem ve n değişkenli AX = B sisteminde mxm’lik bir birim matris varsa, karşı gelen değişkenler başlangıç temel değişkenler olarak alınırlar. Bu ünitede yalnızca bu durumun sağlandığı örneklere yer verilip standart Simpleks Algoritması anlatılmaktadır. Öte yandan birim matrisin denklem sistemi eşitlik haline getirildiğinde kendiliğinden elde edilmediği durumlarda, sisteme, gerektiği kadar yeni değişken eklentisiyle bu eksiklik giderilmektedir. Bu tür değişkenlere yapay değişken denip, bu durumda bilinen Simpleks Algoritması’nın özel bir hali uygulanır.
x 0 – 4×1 – 3×2 = 0 şeklinde tanımlanan ve belirtilen temel değişken takımı (s 1 ve s 2 ) başlangıç çözüm alınarak aşağıdaki tabloya yerleştirilir. Bu tablo oluşturulurken x0 ile gösterilen satır amaç fonksiyonuna diğer izleyen satırlar ise problemin verilen kısıtlarına karşı gelir.
Amaç fonksiyonu satırı x 0 + C.X = 0 formatında alınır. Temel değişkenler yerine, temel olmayan değişkenler cinsinden, kısıtların çözümü ile bulunan eşdeğerleri yazıldığından, temel değişkenlere karşı gelen katsayılar sıfır olup, bu satır, amaç fonksiyonunun temel olmayan değişkenler cinsinden ifadesidir. Temelde olmayan değişkenlerin katsayılarına göre de, bilindiği gibi, temele girecek değişkenin olup olmadığı değerlendirilir.
x 0 satırı amaç fonksiyonunun temel olmayan değişkenler cinsinden ifadesi olup, burada x 1 değişkeni temele girecek değişken olarak belirlenir. Amaç fonksiyonundaki katsayısının -4 olması, X 0 = C.X fonksiyonunda bu değişkenin katsayısının pozitif (+) olması demek olup, x1‘in temele alınması durumunda amaç fonksiyonu değerinin büyüyeceğini göstermektedir.
Sayfa 76, 77, 78’deki tabloları sırasıyla inceleyiniz.
Matematiksel modele karşı gelen denklem sistemi,
A : Tüm değişkenlere karşı gelen katsayılar matrisi, X değişken vektörü, b kaynak (sağ taraf sabitleri) vektörü iken,
olmak üzere AX = b şeklinde yazılabilir. Karşı gelen matris çarpımları,
gerçekleştirildiğinde,
x 1 + x 2 + s 1 = 40
2x 1 + x 2 +s 2 = 60
denklem sistemi yeniden elde edilir. Amaç fonksiyonu da benzer şekilde,
X 0 = CX şeklinde tanımlanarak, C = (4 3 0 0)
olarak alınıp
olarak elde edilir. Böylece doğrusal karar modelinin
AX = b, X ? 0 , Enb X 0 = CX
şeklinde de ifade edilebileceği gösterilmiş olur.
Simpleks Algoritması’nda değişkenler, önceki örnekte de görüldüğü gibi temel ve temel olmayan olmak üzere iki gruba ayrılırlar. Bu durumda,
X B : Temel değişkenler vektörü
X R : Temel olmayan değişkenler vektörü
olmak üzere X vektörü aşağıdaki gibi iki parçalı olarak
aşağıdaki gibi gösterilebilir.
Benzer şekilde, AX = b modelindeki A matrisi ile
Enb X 0 = CX fonksiyonundaki C vektörü de şu şekilde parçalanabilir;
B: Temel değişkenlere A katsayılar matrisinde karşı gelen matris
R: Temel olmayan değişkenlere A katsayılar matrisinde karşı gelen matris
C B : Temel değişkenlere C’de karşı gelen katkı vektörü
C R : Temel olmayan değişkenlere C’de karşı gelen katkı vektörü iken
C = (C B , C R ), A = (B,R) şeklinde gösterilebilir.
Sayfa 79,80’deki enbüyükleme problemini gözönüne alalım Enbüyüklemede incelenen bu örnekte temelde yer almayan x 1 değişkeninin amaç fonksiyonu satırındaki değeri olan -4, bu değişkenin temele alınması gerektiğini belirtir. Benzer şekilde devam edildiğinde temel olmayan değerler arasında katsıyısı negatif olan bir değişkenin kalmaması enbüyükleme için eniyilik koşulunun sağlandığını gösterir.
Verilen problem enküçükleme olursa yine benzer yaklaşım geçerlidir. Fakat bu durumda yer almayan değişkenler içerisinde amaç fonksiyonu satırındaki katsayısı negatif değil pozitif olan değişken amaç fonksiyonu değerini azaltacağından bu değişkenler temele alınmalıdır. Benzer şekilde katsıyısı pozitif olan bir değişkenin kalmaması enküçükleme için eniyilik koşulunun sağlandığını gösterir.