在做数学建模时,我们经常会遇到在约束条件下求解目标的最优解的情况,如:在如下约束条件下求解-x0+4x1的最小值。

python 求解线性规划 python线性规划最优解_python

 在求解这个问题的过程中,我们可以使用不同的工具去解决,如MATLAB、Java等语言都是可以解决的,不过我经常常用的是python,所以就想用python来解决一下这类的问题,顺手记录一下,免得以后忘了。

参考文档如下:

scipy.optimize.linproghttps://docs.scipy.org/doc/scipy/reference/generated/scipy.optimize.linprog.html这里调用的是scipy数据处理包下得optimize优化函数下得linprog线性规划函数解决问题。

python 求解线性规划 python线性规划最优解_统一建模语言_02

 c是求解目标函数的系数向量,A_ub与b_ub对应的约束不等式的系数向量,A_eq与b_eq对应的是约束等式的系数向量,bounds对应的是每个未知变量的取值上限与下限的取值向量。

最开始提到的例题在python中的写法如下:
 

python 求解线性规划 python线性规划最优解_python

from scipy.optimize import linprog
C = [-1,4]
A = [[-3,1],[1,2]]
b = [6,4]
bounds=[[None,None],[-3,None]]
res = linprog(C,A,b,bounds=bounds)
print(res)

bounds的另一种写法如下:

from scipy.optimize import linprog
C = [-1,4]
A = [[-3,1],[1,2]]
b = [6,4]
X0_bounds = [None,None]
X1_bounds = [-3,None]
res = linprog(C,A,b,bounds=(X0_bounds,X1_bounds))
print(res)

输出结果如下:

python 求解线性规划 python线性规划最优解_学习_04

 可以得到结果x0的最优解为9.99,x1的最优解为-2.99.在这种取值的条件下取得的最小值是-21.99.

这里得到的是float64的精度,如果要得到更高的精度,可以更改method参数为“revised simplex”.

结果如下:

python 求解线性规划 python线性规划最优解_线性代数_05

 由于这个函数只能求解最小值的优化,如果我们需要求解目标函数的最大值,则需要转换一下思路。在同等约束条件下求解得到的最小值,那么将目标函数取负数,得到的结果也取负数就得到了该约束条件下得最大值。

python 求解线性规划 python线性规划最优解_学习_06

 

python 求解线性规划 python线性规划最优解_统一建模语言_07

 最大值为11.4,x0=-1.14,x1=2.5714

做一个简单的示例,看看结果是不是正确的。

python 求解线性规划 python线性规划最优解_python 求解线性规划_08

 求在限定x0,x1的条件下求-x0-x1的最小值,口算一下是-7.

下面用代码计算一下:

python 求解线性规划 python线性规划最优解_统一建模语言_09

 输出结果是-5,和我们的理解有了出入,那么问题出现在哪里呢?

原来scipy.optimize.linprog默认的是小于等于符号,而我们给的符号是大于等于,所以将约束条件改变如下:

python 求解线性规划 python线性规划最优解_学习_10

python 求解线性规划 python线性规划最优解_python_11

 

结果是-7,与我们的计算结果一样,也就是说我们在做线性规划的时候,不等式的约束条件要修改为小于等于的形式,这样才能计算正确。 

只需要将目标函数取负数,在该约束条件下取得的最小值再取负数,就是该约束条件下取得的最大值。