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平面区域与线性目标
二元一次不等式对应一个半平面,多个不等式的交集称为可行域。
半平面、可行域与顶点判定
二元一次不等式 ( 不全为零)表示一个闭半平面:边界为 ,取不在边界上的一点代入,即可判断满足不等式的一侧。严格不等式排除边界。多个约束同时成立的点集叫可行域。
若可行域是非空有界闭多边形,线性目标 一定在某个顶点取得最大值,也在某个顶点取得最小值。
证明。 线性约束的交集是凸集。把凸多边形分成以顶点为顶点的三角形,其中每个点都可写成某个三角形三个顶点的非负加权平均,权重和为一(可用面积权重证明)。因此可行域中任一点 都是顶点 的凸组合 ,且
这个加权平均不超过最大顶点值,也不低于最小顶点值。若一条边的两端都取到同一最优值,则整条边都取到该值; 时目标恒为零,所有可行点都最优。
平移等值线的操作步骤与边界检查
目标 中 时, 是一族平行直线。沿法向量 平移距离 ,目标值增加 ,因此这个方向是目标增大的方向。
- 画每个约束的半平面并取交集,标明边界是否包含。
- 画一条等值线,例如 ,确定目标增加和减小的方向。
- 平移等值线,找仍与可行域相交的极端位置;有界闭多边形可用上一节的顶点判定逐个计算。
- 检查所求位置是否实际属于可行域,并记录整条边同时最优的情况。
无界区域必须另判目标是否有界。例如 上, 最小值为零而无最大值;目标 的最小值也是零,整条非负 轴都取到。边界不包含时可能只有上确界或下确界,下面的三角形例子说明这一点。
例
在 下,最大化 。顶点为 ,目标值为 ,所以最大值为 ,在 取得。
若改为 ,则 ,可以无限接近 ,但不取得最大值。
易错点
无界可行域仍可能有最小值,也可能目标无上界;空可行域没有最值。不能不画区域、不检查可行性就比较所有边界直线的交点。
关联阅读
先修:直线方程、夹角与距离 · 不等式的性质与解法。
同主题:解析几何中的定值、定点与最值。