Задача о назначениях

Предварительный этап. Разыскивают максимальный элемент в j – м столбце и все элементы этого столбца последовательно вычитают из максимального. Эту операцию проделывают над всеми столбцами матрицы С. В результате образуется матрица с неотрицательными элементами, в каждом столбце которой имеется, по крайней мере, один нуль.

Далее рассматривают i – ю строку полученной матрицы, разыскивают ее минимальный элемент a_i и из каждого элемента этой строки вычитают минимальный. Эту процедуру повторяют со всеми строками. В результате получим матрицу С₀ (С₀ ~ C), в каждой строке и столбце которой имеется, по крайней мере, один нуль. Описанный процесс преобразования С в С₀ называется приведением матрицы.

Находим произвольный нуль в первом столбце и отмечаем его звездочкой. Затем просматриваем второй столбец, и если в нем есть нуль, расположенный в строке, где нет нуля со звездочкой, то отмечаем его звездочкой. Аналогично просматриваем один за другим все столбцы матрицы С₀ и отмечаем, если возможно, следующие нули знаком “*”. Очевидно, что нули матрицы С₀, отмеченные звездочкой, являются независимыми. На этом предварительный этап заканчивается.

(k+1)-ая итерация. Допустим, что k–я итерация уже проведена и в результате получена матрица С_k. Если в ней имеется ровно n нулей со звездочкой, то процесс решения заканчивается. В противном случае переходим к (k+1) – й итерации.

Каждая итерация начинается первым и заканчивается вторым этапом. Между ними может несколько раз проводиться пара этапов: третий – первый. Перед началом итерации знаком “+” выделяют столбцы матрицы С_k, которые содержат нули со звездочками.

Первый этап. Просматривают невыделенные столбцы С_k. Если среди них не окажется нулевых элементов, то переходят к третьему этапу. Если же невыделенный нуль матрицы С_k обнаружен, то возможен один из двух случаев: 1) строка, содержащая невыделенный нуль, содержит также и нуль со звездочкой; 2) эта строка не содержит нуля со звездочкой.

Во втором случае переходим сразу ко второму этапу, отметив этот нуль штрихом.

В первом случае этот невыделенный нуль отмечают штрихом и выделяют строку, в которой он содержится (знаком “+” справа от строки). Просматривают эту строку, находят нуль со звездочкой и уничтожают знак “+” выделения столбца, в котором содержится данный нуль.

Далее просматривают этот столбец (который уже стал невыделенным) и отыскивают в нем невыделенный нуль (или нули), в котором он находится. Этот нуль отмечают штрихом и выделяют строку, содержащую такой нуль (или нули). Затем просматривают эту строку, отыскивая в ней нуль со звездочкой.

Этот процесс за конечное число шагов заканчивается одним из следующих исходов:

1) все нули матрицы С_k выделены, т.е. находятся в выделенных строках или столбцах. При этом переходят к третьему этапу;

2) имеется такой невыделенный нуль в строке, где нет нуля со звездочкой. Тогда переходят ко второму этапу, отметив этот нуль штрихом.

Второй этап. На этом этапе строят следующую цепочку из нулей матрицы С_k: исходный нуль со штрихом, нуль со звездочкой, расположенный в одном столбце с первым нулем со штрихом в одной строке с предшествующим нулем со звездочкой и т.д. Итак, цепочка образуется передвижением от 0^’ к 0^* по столбцу, от 0^* к 0^’ по строке и т.д.

Можно доказать, что описанный алгоритм построения цепочки однозначен и конечен, при этом цепочка всегда начинается и заканчивается нулем со штрихом.

Далее над элементами цепочки, стоящими на нечетных местах ( 0^’ ) –, ставим звездочки, уничтожая их над четными элементами ( 0^* ). Затем уничтожаем все штрихи над элементами С_k и знаки выделения “+”. Количество независимых нулей будет увеличено на единицу. На этом (k+1) –я итерация закончена.

Третий этап. К этому этапу переходят после первого, если все нули матрицы С_k выделены. В таком случае среди невыделенных элементов С_k выбирают минимальный и обозначают его h (h>0). Далее вычитают h из всех элементов матрицы С_k, расположенных в невыделенных строках и прибавляют ко всем элементам, расположенным в выделенных столбцах. В результате получают новую матрицу С^'_k, эквивалентную С_k. Заметим, что при таком преобразовании, все нули со звездочкой матрицы С_k остаются нулями и в С^'_k, кроме того, в ней появляются новые невыделенные нули. Поэтому переходят вновь к первому этапу. Завершив первый этап, в зависимости от его результата либо переходят ко второму этапу, либо вновь возвращаются к третьему этапу.

После конечного числа повторений очередной первый этап обязательно закончится переходом на второй этап. После его выполнения количество независимых нулей увеличится на единицу и (k+1) – я итерация будет закончена.

Пример. Решить задачу о назначениях с матрицей

При решении задачи используем следующие обозначения:

Знак выделения “+”, подлежащий уничтожению, обводим кружком; цепочку, как и ранее, указываем стрелками.

Предварительный этап. Отыскиваем максимальный элемент первого столбца – 4. Вычитаем из него все элементы этого столбца. Аналогично для получения второго, третьего, четвертого и пятого столбцов новой матрицы вычитаем все элементы этих столбцов от п’яти, трех, двух и трех соответственно. Получим матрицу С^'(C^'~C). Так как в каждой строке С^' есть нуль, то С^' = С₀ и процесс приведения матрицы заканчивается. Далее ищем и отмечаем знаком “*” независимые нули в С₀, начиная с первой строки.

Первая итерация. Первый этап. Выделяем знаком “+” первый, второй, и четвертый столбцы матрицы С₀, которые содержат 0^*.

Просматриваем невыделенный третий столбец, находим в нем невыделенный нуль С₂₃ = 0, отмечаем его штрихом и выделяем знаком “+” вторую строку. Просматриваем эту строку, находим в ней элемент С₂₂ = 0^* и уничтожаем знак выделения второго столбца, содержащего 0^*. Затем просматриваем второй столбец – в нем нет невыделенных элементов. Переходим к последнему невыделенному столбцу (пятому), ищем в нем невыделенные нули. Поскольку невыделенных нулей нет, то переходим к третьему этапу.

Третий этап. Находим минимальный элемент в невыделенной части матрицы С₀ (т.е. элементы, которые лежат в столбцах и строках, не отмеченных знаком “+”). Он равен h = 1.

Вычтем h = 1 из всех элементов невыделенных строк (т.е. всех, кроме второго) и прибавим ко всем элементам выделенных столбцов (первого и четвертого). Получим матрицу С^'₁ и перейдем к первому этапу.

Первый этап. Перед его началом вновь выделяем знаком “+” первый, второй и четвертый столбцы. Просматриваем невыделенный третий столбец, находим в нем невыделенный нуль С₂₃ = 0, отмечаем его знаком штрих. Поскольку во второй строке есть 0^* (элемент С₂₂), то выделяем знаком “+” вторую строку, далее уничтожаем знак выделения второго столбца, где лежит 0^*. Потом просмотрим второй столбец, находим в нем невыделенный нуль С₁₂ = 0, отмечаем его знаком штрих. Поскольку в первой строке есть нуль со звездочкой С₁₄ = 0^*, то выделяем его знаком “+”, и уничтожаем знак выделения четвертого столбца, где находился этот знак 0^*. Затем пересматриваем четвертый столбец и находим в нем невыделенный нуль С₅₄ = 0. Так как в строке, где он находится, нет нуля со звездочкой, то отметив этот 0 штрихом, переходим ко второму этапу.

Второй этап. Начиная с элемента с₅₄ = 0^’, строим цепочку, двигаясь от него по столбцу. Находим нуль со звездочкой с₁₄ = 0^*, далее от него движемся вдоль первой строки и находим 0^’(с₁₂), от этого элемента движемся вдоль первого столбца к с₂₂ = 0^*, в конечном итоге, двигаясь от с₂₂ = 0^* вдоль второй строки приходим к исходному с₂₃ = 0^’. Таким образом, цепочка построена: 0’₅₄-0^*_14-0’_12-0^*_22-0’₂₃. Заменяем штрих на звездочку и уничтожаем звездочки над четными элементами цепочки, а также все знаки выделения столбцов и строк. На этом первая итерация заканчивается. В результате число независимых нулей увеличилось на единицу. Поскольку следующие итерации выполняются аналогично, то приведем результаты их выполнения без дополнительных пояснений. После второй итерации количество независимых нулей (0^*) стало равно 5 (размерности матрицы С) и поэтому алгоритм заканчивает работу. Искомые элементы назначения соответствуют позициям независимых нулей матрицы С₃ (т.е. 0^*).

Соответствующее значение целевой функции

Первая итерация. Первый этап Третий этап

 

  h=1

 

Первая итерация. Первый этап. Второй этап.

 

 

 

 

Вторая итерация

Первый этап Второй этап

 

2.3 Венгерский метод для транспортной задачи

Рассмотренная выше задача о назначениях представляет собой частный случай Т-задачи, когда . Поэтому венгерский метод, применимый для решения транспортной задачи специального вида, можно распространить на общий случай Т-задачи. [18; 59].

Пусть требуется решить Т-задачу следующего вида минимизировать

при условиях

Алгоритм решения Т-задачи, основанный на венгерском методе, состоит из предварительного этапа и конечного числа однотипных итераций.

В результате предварительного этапа вычисляют матрицу

 

 

элементы которой удовлетворяют следующим условиям:

         (3.3.1)

         (3.3.2)

Если в условиях (3.3.1), (3.3.2) строгие равенства, то матрица Х₀ является решением Т-задачи.

Матрицу, построенную в результате k-й итерации, обозначим

Обозначим также

        (3.3.3)

Величина называется суммарной невязкой для матрицы . Она характеризует близость к искомому плану Т-задачи. Итерации проводятся до тех пор, пока величина не станет равна нулю.

Описание алгоритма Венгерского метода

Предварительный этап. В каждом из столбцов матрицы транспортных издержек отыскивают минимальный элемент, который вычитают из всех элементов этого столбца. Получают матрицу С'. Далее в каждой строке матрицы С' выбирают минимальный элемент и вычитают его из всех элементов рассматриваемой строки. Приходят к матрице С₀ (С₀ ~ C), все элементы которой неотрицательны, причем в каждой строке и столбце С₀ имеем по крайней мере, один нуль. Строят матрицу Х₀ так, чтобы ее ненулевые элементы были расположены в позициях нулей матрицы С₀.

Пусть — номер строки, в которой расположен k-й нуль j-го столбца матрицы С₀. Тогда элементы первого столбца матрицы Х₀ определяют по рекуррентной формуле

 

      (3.3.4)

Т.е. все элементы первого столбца , которым соответствуют ненулевые элементы в матрицы С₀, заполняют нулями, а остальные элементы этого столбца заполняют по методу северо-западного угла.

Допустим, что столбцы Х₀ от первого до (j–1) – го включительно уже заполнены. Тогда элементы j-го столбца определяют в соответствии с формулой

       (3.3.5)

Если , то Х₀ – оптимальный план Т-задачи. Если , то переходим к первой итерации.

(k+1)-я итерация. Допустим, что уже проведено k итераций, причем . В этом случае необходимо, используя матрицы С_k и Х_k, провести следующую (k+1)-ю итерацию. Перед началом итерации выделяют знаком «+» те столбцы матрицы С_k, для которых невязки по столбцам равны

 

Первый этап. Если все ненулевые элементы матрицы С_k окажутся в выделенных столбцах, то переходят к третьему этапу. В противном случае пусть некоторый невыделенный нуль находится в -й строке и в -м столбце. Тогда вычисляют значения невязки -й строки:

Возможен один из двух случаев: 1) , 2) . В первом случае -ю строку С_k отмечают знаком “+” справа от нее, а сам невыделенный нуль отмечают штрихом. Далее просматривают элементы -й строки, которые лежат в выделенных столбцах и ищут среди них существенные нули (напомним, что существенным нулем С_k называется такой элемент , для которого ). Если таким существенным нулем оказался элемент , а сам столбец m — выделен, то знак выделения “+” над столбцом m уничтожают, а сам этот нуль отмечают звездочкой.

Затем просматривают m-й столбец и отыскивают в нем нуль (нули), расположенные в отличных от -й строках. Если такой нуль имеется, то отмечают его штрихом и анализируют невязку его строки.

Далее процесс поиска нулей и выделение их (штрихами или звездочками) продолжается аналогично, и за несколько шагов он заканчивается одним из следующих исходов:

1) найдем очередной невыделенный нуль матрицы С_k, для которого невязкая в строке . Тогда отметив его штрихом, переходим ко второму этапу;

2) все нули матрицы С_k оказались выделенными, причем для каждого из нулей, выделяемых штрихом, невязка . Тогда переходим к третьему этапу.

Во втором случае, отметив этот нуль штрихом, сразу переходим к третьему этапу.

Второй этап. Состоит в построении цепочки из нулей матрицы С_k, отмеченных штрихами и звездочками, и в последующем переходе к новой матрице Х_k+1