线性规划学习笔记
1 线性规划
定义
定义 1.1 已知一组实数 \(a_1,a_2,\cdots,a_n\),以及一组变量 \(x_1,x_2,\cdots,x_n\),在这些变量的一个线性函数定义为 \(f(x_1,x_2,\cdots,x_n) = \sum_{i=1}\limits^n a_i x_i\)。
等式 \(f(x_1,x_2,\cdots,x_n)=b\),不等式 \(f(x_1,x_2,\cdots,x_n) \leq b\),\(f(x_1,x_2,\cdots,x_n) \geq b\) 统称为线性约束。
称满足所有限制条件的解 \(x_1,x_2,\cdots,x_n\) 为可行解,使目标函数达到最优的可行解为最优解,所有可行解构成的区域为解空间。
线性规划的性质
定义 1.2 标准型
标准型线性规划要求满足如下形式:
最大化 \(\sum\limits_{j=1}^n c_jx_j\),满足约束 \(\sum\limits_{j=1}^n a_{i,j}x_j \leq b_i\),\(x_j \geq 0\)。
所有线性规划问题都可以用标准型描述。
对于无限制的变量 \(x\),可以拆成两个变量 \(x_0,x_1\),使得 \(x=x_0-x_1\)。
标准型可以用矩阵表示。
为了方便地求解线性规划,需要所有约束都是等式。
定义 1.3 松弛型
松弛型线性规划要求满足如下形式
最大化 \(\sum\limits_{j=1}^n c_jx_j\),满足约束 \(x_{i+n} = b_i - \sum\limits_{j=1}^n a_{i,j}x_j\),\(x_j \geq 0\)。
标准型转化为松弛型是容易的。
由于每一个线性不等式的解空间都是一个凸型区域,所以整个解空间也是一个凸型区域。
所以只有一个局部最优解,因此使用一个类似爬山的算法就不用担心停滞在局部最优解。
所以就引出了单纯形法。
2 单纯形
算法描述
其核心是转轴操作,即变量的代换。
首先有一些定义:
基变量: 在松弛型等式左侧的所有变量。
非基变量: 在松弛型等式右侧的所有变量。
单纯形算法有两个主要的操作:转轴操作以及 simplex 操作。
而转轴操作的作用是选择一个基变量 \(x_B\) 以及一个非基变量 \(x_N\),将其互换(称这个非基变量为 换入变量,基变量为 换出变量)。
具体地,一开始有 \(x_B = b_i - \sum\limits_{j=1}^n a_{i,j}x_j\),那么 \(x_N = (b_i - \sum\limits_{j\not=N} a_{i,j}x_j -x_B) / a_{i,N}\)。
当然,在选择 \(x_N\) 的时候要保证 \(a_{i,N} \not = 0\)。
simplex 操作是单纯形法的主过程,从一个基本解出发,经过一系列转轴操作达到最优解。通过选择特定的换入变量以及换出变量,可以使得每次转移操作都能使目标函数增大,直到达到最优解。
即进行一次转轴后,我们也同步的将新的等式带入其他等式,然后带入我们最大化的式子,常数项显然就是我们当前维护的松弛型线性规划基本解对应的答案。
如目标函数有正的系数,那么就意味着目标函数有可能可以被进一步增大,所以我们就持续进行转轴操作直到所有系数为负。
而 转轴 操作对换入和换出变量的选取,每次选择一个在目标函数中系数为正的增大,令其为换入变量,然后考虑增大他,但增大往往有限制,我们在这些限制中选一个最紧的限制,令其基变量为换出变量,然后进行代换。
如果我们无法找到约束条件,说明这个线性规划是无界的。
关于初始化,有时候我们可能无法通过将所有非基变量赋为 \(0\) 达到寻找初始解的目的。
我们可以通过引入一个辅助线性规划:
最大化 \(-x_0\)
满足约束 \(x_{i+n} = b_i - \sum\limits_{j=1}^n a_{i,j}x_j+x_0\),\(x_j \geq 0\)。
容易发现,这个线性规划的最优解中 \(x_0 = 0\),而达到之后,这一定构成原线性规划的可行解。
我们不能通过全部赋为 \(0\) 得到可行解,说明 \(b\) 中存在负数。我们找到最小的一个 \(b_l\),对第 \(l\) 个约束做转轴。
之后,第 \(l\) 个约束变为 \(x_0 = -b_l + \sum\limits_{j=1}^n a_{i,j}x_j+x_{l+n}\),显然满足 \(-b_l > 0\)。
其余约束变为 \(b_{i+n} = -b_l + b_i + \sum\limits_{j=1}^n (a_{l,j} - a_{i,j})x_j+x_{l+n}\)。显然 \(b_i - b_l \geq 0\)。
操作之后,辅助线性规划就有一个将非基变量赋为 \(0\) 的基本解,然后对其 simplex 即可。
单纯形法的时间复杂度
不是多项式算法,但很快,不说了。
但一般线性规划问题可以在多项式复杂度解决。
3 对偶问题
论文的引入中给出了一个有意思的现象,我们尝试去用我们限制中的不等式去拟合我们的目标式子,然后可以将最小化转化为最大化的线性规划问题。
举个论文中的例子:
考虑下面的线性规划:
最小化
\[7x_1+x_2+5x_3 \]满足约束:
\[x_1-x_2+3x_3 \geq 10 \\ 5x_1+2x_2-x_3 \geq 6 \\ x_i \geq 0 \]
这个可以变换成如下样子:
\[7x_1 + x_2+5x_3 \geq (y_1 + 5y_2)x_1+(-y_1+2y_2)x_2+(3y_1-y_2)x_3 = f(y_1,y_2) \geq 10y_1 + 6y_2 \]然后我们的目标就是在满足相关限制的情况下最大化 \(10y_1+6y_2\),惊喜地发现这也是个线性规划问题:
最大化
\[10y_1+6y_2 \]满足约束
\[y_1 + 5y_2 \leq 7 \\ -y_1 + 2y_2 \leq 1 \\ 3y_1 - y_2 \leq 5 \\ y_i \geq 0 \]
我们称初始的线性规划为 原问题,新得到的线性规划为 对偶问题。我们对对偶问题再对偶一次其实就是原问题。也就是说一个最大问题可以对偶成最小问题,最小问题也可以对偶成最大问题。
下面给出形式化定义:
**定义6.1 ** 对偶问题
给定一个原始线性规划:
最小化 \(\sum\limits_{j=1}^n c_jx_j\)
满足约束 \(\sum\limits_{j=1}^n a_{i,j}x_j \geq b_i\),\(x_j \geq 0\)。
定义它的对偶线性规划为:
最大化 \(\sum\limits_{i=1}^m b_iy_i\)
满足约束 \(\sum\limits_{i=1}^m a_{i,j}y_i \leq c_j\),\(y_i \geq 0\)。
结合引子中的例子,这是容易理解的。
线性规划对偶性
哦,这一段论文阐述了这个对偶过程正确性。我知道它很正确啦!
互松弛定理: 若 \(x,y\) 分别是原问题及对偶问题的可行解,那么 \(x,y\) 都是最优解 当且仅当 下列两个条件被同时满足:
- 对于所有 \(1 \leq j \leq n\) 满足 \(x_j = 0\) 或 \(\sum\limits_{i=1}^m a_{i,j}y_i = c_j\)。
- 对于所有 \(1 \leq i \leq m\) 满足 \(y_i = 0\) 或 \(\sum\limits_{j=1}^n a_{i,j}x_j = b_i\)。
一些经典问题的对偶
网络流最大流
这个可以由线性规划对偶直接得到。
定理:网络流最大流等于最小割。
二分图最大权匹配问题
我确实会推导力!
定理 在一张带权二分图中,最大权匹配等于最小顶标和。
定理 二分图中,最大匹配数等于最小点覆盖数。
一般来说,我们倾向于将最小顶标和转化为最大权匹配。
例题
「SHOI2004」最小生成树
一条非树边的权值必须大于与其形成圈的树边的权值,以此形成做限制形成对偶。
这实际上就是一个二分图最小顶标和问题,可以转化成二分图最大权匹配。
Orz the MST
这个与上道题很像,可以直接一样列出线性规划,然后就可以写出对偶式子,根据对偶式子可以直接建出最大费用可行流的模型了。
数据范围有点大,大概要使用势能dij。
「ZJOI2013」防守战线
容易发现,这个题目直接就是一个线性规划的形式,对偶完之后好看了一些,直接可以拆点费用流处理。
「BZOJ1283」序列
感觉会是一个典题。
先写出一个线性规划的形式,然后就可以直接扫一遍贪心力!
为什么不对捏。哦,原始线性规划少条件了。
对偶完其实就和志愿者招募是一样的,你说的对,但我网络流建图不太会了。
去复习了一轮!
「ZJOI2020」序列
条件是恰好变成 \(0\)。
先直接构造线性规划。首先会有 \(O(n^2)\) 个变量。形成 \(O(n)\) 个等于的限制,最小化变量和。
线性规划感觉还是用笔做着舒服。
对偶完只剩下 \(n\) 个变量,但这些变量的取值很抽象。
也不是那么抽象,因为一些特殊区间的限制,每个位置的取值变成了 \(\{-1,0,1\}\),因为不能更大,更小也没有意义。
考虑 \(dp\) 套 \(dp\),维护三个最大后缀和,显然取值范围是 \(\{0,1\}\)。于是就可以计算最大贡献。
线性规划是强大的。
「雅礼集训 2018 Day8」B
安装时间其实是这个有向无环图的一条最长路。这意味着所需时间其实很难描述。
这个最长路大概也可以用线性规划描述。就是按照边和每个软件包的结束时间描述,建立超源超汇即可表示答案。
于是我们就得到了一个有 \(2n\) 个变量的线性规划。不妨将其对偶一下。对偶完有 \(m + n + 1\) 个变量。
考虑二分那个单独存在的不等式的系数,那是不是可以构造费用流?
特别扭曲的形式。换个办法,我们二分最小的时间,计算最小的代价。
然后给线性规划对偶一下就可以容易地进行费用流的构建。
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