运筹优化学习10:分支定界算法求解整数规划问题及其Matlab实现(下)

简介: 运筹优化学习10:分支定界算法求解整数规划问题及其Matlab实现

3.3 C++伪代码

// C++实现分支定界算法的伪代码 
// 函数功能:我们要求一个最小化问题的最优解
//输入参数:problem            组合优化问题
//        objective_function    目标函数值
//        lower_bound_function    问题的下界
CombinatorialSolution branch_and_bound_solve(
    CombinatorialProblem problem, 
    ObjectiveFunction objective_function /*f*/,
    BoundingFunction lower_bound_function /*g*/) 
{
    // Step 1 above
    double problem_upper_bound = std::numeric_limits<double>::infinity; // = B,设置正无穷无穷对问题的上界进行初始化
    CombinatorialSolution heuristic_solution = heuristic_solve(problem); // x_h,启发式算法得到初始解
    problem_upper_bound = objective_function(heuristic_solution); // B = f(x_h),将启发式算法得到的解作为问题的上界
    CombinatorialSolution current_optimum = heuristic_solution;//设置启发算法的解为当前最优解
    // Step 2 above
    queue<CandidateSolutionTree> candidate_queue;
    // problem-specific queue initialization
    candidate_queue = populate_candidates(problem);
    while (!candidate_queue.empty()) { // Step 3 above
        // Step 3.1
        CandidateSolutionTree node = candidate_queue.pop();
        // "node" represents N above
        if (node.represents_single_candidate()) {
        // Step 3.2 如果node是一个候选解,判断其是否小于当前上界,若是则更新上界;否则他就不是最优解,就要停止分支
            if (objective_function(node.candidate()) < problem_upper_bound) {
                current_optimum = node.candidate();
                problem_upper_bound = objective_function(current_optimum);
            }
            // else, node is a single candidate which is not optimum
        }
        else { 
            // Step 3.3: node represents a branch of candidate solutions
            // "child_branch" represents N_i above
            for (auto&& child_branch : node.candidate_nodes) {
                if (lower_bound_function(child_branch) <= problem_upper_bound) {
                    candidate_queue.enqueue(child_branch); // Step 3.3.2
                }
                // otherwise, g(N_i) > B so we prune the branch; step 3.3.1
                //如果得到一个更差的解,我们就放弃该分支
            }
        }
    }
    return current_optimum;
}

4 一个Matlab的实现示例

4.1 linprog函数使用详解

这里调用了Matlab的linprog函数,完整的函数说明文档可在Matlab中输入如下指令:

doc linprog


得到如下界面:

20191011230150688.png

可知,该函数可以求解线性规划问题,设计到的参数说明:

image.png

image.png

其中的options参数:

20191011230633601.png

exitflag参数:

image.png

4.2 一个Matlab求解的代码示例解析

分支定界函数

function [x,val]=kfz(n,f,a,b,aeq,beq,lb,ub)
%获取变量个数的向量
x=zeros(n,1);
% x1=zeros(n,1);
m1=2;
m2=1;
%嗲用lingprog得到线性规划问题的最优解
[x1,val1]=linprog(f,a,b,aeq,beq,lb,ub)
if (x1==0)
    x=x1;
    val=val1
elseif (round(x1)==x1)%线性问题的最优解都是整数,则它也是原问题的最优解
    x=x1;
    val=val1
else
    e1={0,a,b,aeq,beq,lb,ub,x1,val1};
    e(1,1)={e1};
zl=0;
zu=-val1
while (zu~=zl)
for c=1:1:m2
if (m1~=2)
if (cell2mat(e{m1-1,c}(1))==1)
e1={1,[],[],[],[],[],[],[],0};
e(m1,c*2-1)={e1};
e(m1,c*2)={e1};
continue;
end;
end;
x1=cell2mat(e{m1-1,c}(8));
x2=zeros(n,1);
s=0;
s1=1;
s2=1;
lb1=cell2mat(e{m1-1,c}(6));
ub1=cell2mat(e{m1-1,c}(7));
lb2=cell2mat(e{m1-1,c}(6));
ub2=cell2mat(e{m1-1,c}(7));
for d=1:1:n
if (abs((round(x1(d))-x1(d)))>0.0001)&(s==0)
s=1;
lb1(d)=fix(x1(d))+1
if (a*lb1<=b)
s1=0;
end;
ub2(d)=fix(x1(d))
if (a*lb2<=b)
s2=0;
end;
end;
end;
e1={s1,a,b,aeq,beq,lb1,ub1,[],0};
e2={s2,a,b,aeq,beq,lb2,ub2,[],0};
e(m1,c*2-1)={e1};
e(m1,c*2)={e2};
end;
m1=m1+1;
m2=m2*2;
for c=1:1:m2
if (cell2mat(e{m1-1,c}(1))==0)
[x1,val1]=linprog(f,cell2mat(e{m1-1,c}( 2)),cell2mat(e{m1-1,c}(3)),cell2mat(e{m1-1,c}(4)),cell2mat(e{m1-1,c}(5)),cell2mat(e{m1-1,c}(6)),cell2mat(e{m1-1,c}(7)));
e1={cell2mat(e{m1-1,c}(1)),cell2mat(e{m1-1,c}(2)),cell2mat(e{m1-1,c}(3)),cell2mat(e{m1-1,c}(4)),cell2mat(e{m1-1,c}(5)),cell2mat(e{m1-1,c}(6)),cell2mat(e{m1-1,c}(7)),x1,val1};
e(m1-1,c)={e1};
end;
z=val1;
if ((-z)<(-zl))
e1={1,[],[],[],[],[],[],[],0};
e(m1-1,c)={e1};
elseif (abs(round(x1)-x1)<=0.0001)
zl=z
end;
end;
for c=1:1:m2
if (cell2mat(e{m1-1,c}(1))==0) 
zu=cell2mat(e{m1-1,c}(9))
end;
end;
for c=1:1:m2
if (-cell2mat(e{m1-1,c}(9))>(-zu))
zu=cell2mat(e{m1-1,c}(9))
end;
end;
end;
for c=1:1:m2
if (cell2mat(e{m1-1,c}(1))==0)&(cell2mat(e{m1-1,c}(9))==zu)
x=cell2mat(e{m1-1,c}(8))
end;
end;
val=-zu;
end;

调用

f = [-1, -5];
A = [-1, 1;
    5, 6;];
b = [2; 30];
Aeq = [];
beq = [];
lb = [0; 0];
ub = [4; inf];
[x,val]=kfz(2,f,A,b,Aeq,beq,lb,ub)

结果:

>> Untitled2
Optimization terminated.
x1 =
    1.6364
    3.6364
val1 =
  -19.8182
zu =
   19.8182
lb1 =
     2
     0
ub2 =
     1
   Inf
Optimization terminated.
Optimization terminated.
zl =
  -16.0000
zu =
  -18.6667
zu =
  -16.0000
zu =
  -18.6667
lb1 =
     2
     4
ub2 =
     4
     3
zl =
  -16.0000
Optimization terminated.
zu =
  -17.4000
lb1 =
     3
     0
ub2 =
     2
     3
Optimization terminated.
Optimization terminated.
zl =
  -17.0000
zl =
  -17.0000
zl =
  -17.0000
zl =
  -17.0000
zl =
  -17.0000
zu =
  -17.0000
x =
    2.0000
    3.0000
x =
    2.0000
    3.0000
val =
   17.0000
>> 

5 参考文献

分支界定法 branch-and-bound 分析与实现

运筹学分支定界法MATLAB


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