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优化与运筹基础:从模型到最优决策

  1. 01从问题到优化模型
  2. 02凸性:为什么局部信息能指向全局
  3. 03线性规划的几何与单纯形思想
  4. 04对偶与资源价值
  5. 05整数优化与离散决策
  6. 06网络优化:路径、流与割
  7. 07无约束数值优化:梯度与 Newton
  8. 08KKT 与约束最优性
  9. 09梯度算法的工程化使用
  10. 10综合决策与模型审计
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课程数学优化与运筹基础:从模型到最优决策整数优化与离散决策

整数优化与离散决策

配送中心可以把货物拆成连续的小数,但车辆、班次和项目通常不能。把一个连续模型的答案四舍五入,看起来省事,却可能违反容量、覆盖或逻辑条件。整数优化要回答的是:在离散可行集合中,怎样找到一个可证明的好方案。

连续可行域与整数格点的对照

整数约束改变了可行集合

最大化问题的线性松弛允许变量取实数。整数模型则要求某些变量 xj∈Zx_j\in\mathbb Zxj​∈Z,二元变量还要求 xj∈{0,1}x_j\in\{0,1\}xj​∈{0,1}。松弛模型的可行域更大,因此其最优值是整数最大化问题的上界;对最小化问题则是下界。

若松弛解恰好整数,它立刻也是整数最优解。若不整数,四舍五入没有一般正确性:可能让某条“最多”约束超标,也可能得到一个可行但很差的整数点。

四舍五入破坏约束的反例

分支定界的两个数字

设一个整数最大化模型的松弛最优值为 18.7,当前已经找到一个可行整数解,收益为 16。18.7 是该节点的上界,16 是 incumbent(当前最好整数解)。如果另一个节点的松弛上界只有 15.4,它不可能产生比 16 更好的整数解,可以剪枝。

分支发生在一个分数变量上,例如 x1=2.4x_1=2.4x1​=2.4,拆成 x1≤2x_1\le2x1​≤2 和 x1≥3x_1\ge3x1​≥3 两个子问题。两个子问题覆盖所有整数可能性,却互不重叠。每个节点都要记录:是否不可行、松弛解是否已整数、上界是否不超过 incumbent。

branch-and-bound 树:分支、松弛上界与 incumbent 剪枝

三种剪枝理由:不可行、整数解、界不优

一个小型背包例子

有容量 9 的背包,物品 A、B、C 的重量和价值分别为 (4,8),(5,9),(6,12)(4,8),(5,9),(6,12)(4,8),(5,9),(6,12),每件最多选一次。模型为

max⁡8xA+9xB+12xC\max 8x_A+9x_B+12x_Cmax8xA​+9xB​+12xC​ 4xA+5xB+6xC≤9,xA,xB,xC∈{0,1}.4x_A+5x_B+6x_C\le9,\qquad x_A,x_B,x_C\in\{0,1\}.4xA​+5xB​+6xC​≤9,xA​,xB​,xC​∈{0,1}.

整数可行方案中,A+B 的价值 17,A+C 超容量,B+C 超容量,单个 C 价值 12。若松弛允许部分物品,可能在 C 上取 1/21/21/2 并产生一个大于 17 的上界;这个上界可以指导搜索,却不能直接装入背包。

背包模型的整数方案与线性松弛上界

切平面提供另一种思路:找到一个所有整数解都满足、但当前分数松弛解违反的线性不等式,把它加入模型切掉这块分数区域。切平面和分支定界可以结合;本课只要求理解它为什么有效,不把算法实现细节当作黑箱。

切平面切掉分数区域而保留整数格点

“连续最优解四舍五入”不是整数优化算法。除非模型有特殊整数性结构并且能证明取整保持可行/最优,否则它只能算一个待检查的启发式候选。

练习

  1. 某整数最大化问题的当前 incumbent 为 42。一个未展开节点的 LP 松弛上界为 41.5。该节点为什么可以剪枝?

该节点的任何整数可行解都属于松弛可行解,收益不可能超过 41.5,因此不可能超过已有整数解 42。上界不优是剪枝的理由。

  1. 一个松弛解给出 x1=3.6x_1=3.6x1​=3.6。写出标准分支,并说明为什么没有漏掉整数解。

分成 x1≤3x_1\le3x1​≤3 与 x1≥4x_1\ge4x1​≥4。任意整数 x1x_1x1​ 必然满足其中一条,且不可能同时满足两条,因此整数解空间被完整划分。

  1. 为什么 integrality gap 大并不表示整数模型写错?

gap 衡量连续松弛允许的分数方案比整数方案更乐观的程度。它可能来自真实的离散性;模型是否正确要回到变量语义、约束和业务可执行性检查。

1
对整数最大化问题,LP relaxation 的最优值通常是什么?
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