Введення в оптимізаційні економіко-математичні моделі

Критерій оптимальності: мінімальна сумарна вартість (відстань) пересування по маршруту.

Задача  оптимального розподілу капіталовкладень. Планується діяльність групи (системи) підприємств протягом деякого періоду, який розділено на певну кількість підперіодів. Задана сума коштів, які можна вкладати в будь-яке підприємство чи розподіляти між ними протягом всього періоду планування. Відомі величини збільшення виробництва продукції (за умови здійснення додаткових капіталовкладень) у кожному з підприємств групи для всіх підперіодів. Необхідно визначити, як розподіляти кошти на початку кожного підперіоду між підприємствами так, щоб сумарний дохід за весь період був максимальним.

Наведемо кілька розглянутих  вище типових задач математичного  програмування, сформульованих у термінах лінійного програмування.

2.2.1 Задача визначення оптимального плану виробництва

Для деякої виробничої системи (цеху, підприємства, галузі) необхідно визначити план випуску n видів продукції Х = (х₁, х₂, …, х_n) за умови найкращого способу використання її наявних ресурсів. У процесі виробництва задіяні m ресурсів: сировина, трудові ресурси, технічне оснащення тощо. Відомі загальні запаси ресурсів , норми витрат і-го ресурсу на виробництво одиниці j-ої продукції та прибуток з одиниці j-ої реалізованої продукції .

Критерій оптимальності: максимум прибутку.

Позначимо через х₁, х₂, …, х_n обсяги виробництва відповідно першого, другого і т. д. видів продукції.

Оскільки на одиницю продукції 1-го виду витрачається ресурсу першого виду, то на виробництво першого виду продукції обсягом х₁ необхідно витратити а₁₁х₁ цього ресурсу. На другий вид продукції обсягом х₂ витрати першого ресурсу дорівнюватимуть а₁₂х₂ і т. д. На виробництво всіх видів продукції буде використано такий обсяг першого ресурсу: а₁₁х₁ + а₁₂х₂ + … + а_1nx_n. Ця величина має не перевищувати наявного обсягу першого ресурсу — b₁. Отже, обмеження щодо використання першого ресурсу матиме вигляд: а₁₁х₁ + а₁₂х₂ + … + а_1nx_n ≤ b₁. Аналогічно записують обмеження стосовно використання всіх інших виробничих ресурсів. Прибуток від реалізації виготовленої продукції всіх видів становитиме: с₁х₁ + с₂х₂ + … + с_nx_n.

Загалом лінійна економіко-математична  модель даної задачі матиме вигляд:

за умов:

.

Математична модель виробничої задачі може бути застосована для різних економічних задач, де виникає проблема вибору найкращого варіанта розподілу обмеженої кількості ресурсів, хоча з першого погляду може здаватися, що постановка задачі не стосується виробничих процесів. Наведемо кілька конкретних прикладів виробничих задач.

Приклад 2.2. Фірма має 1 млн.грн. обігових коштів. Відомі витрати грошей у кожному місяці, а також обов’язкові залишки обігових коштів на кінець кожного місяця. Також передбачається, що для успішного функціонування фірма витрачатиме значно меншу суму, ніж 1 млн.грн. Отже, решту коштів можна надавати у кредит. Необхідно визначити оптимальний розподіл обігових коштів протягом кварталу для досягнення максимального прибутку за процентними ставками, якщо відомі витрати та потреби в резервах:

1.01 – 31.01: витрати — 80 000 грн; необхідний запас на 31.01 – 300000 грн;

1.02 – 28.02: витрати — 30 000 грн; необхідний запас на 28.02 – 200 000 грн;

1.03 – 31.03: витрати — 50 000 грн; необхідний запас на 31.03 – 190 000 грн.

Кредит терміном на 1 місяць дає 2% прибутку, терміном на 2 місяці – 5%, а терміном на 3 місяці – 8%.

Вважатимемо, що кредити надаються першого  числа кожного місяця і погашаються також першого числа відповідного місяця.

Побудова економіко-математичної моделі.

Кредити терміном на один місяць можна  надавати кожного місяця протягом кварталу, тому позначимо через х₁₁ суму кредиту, що надано на один місяць з 1.01, аналогічно х₁₂,х₁₃ – суми одномісячних кредитів, що надані відповідно в другому та у третьому місяцях.

Кредити терміном на два місяці протягом першого кварталу можна надавати лише в першому і другому місяцях, тому позначимо через х₂₁ суму кредиту, що надано на два місяці в січні, х₂₂ – суму кредиту, що надана в лютому на два місяці. Нарешті, кредит на три місяці можна надати лише один раз із 1.01, його позначимо через х₃₁.

Розглянемо ситуацію на початку першого місяця кварталу: початкова сума 1млн грн витрачатиметься на вкладення коштів у всі види кредитів, потреби в обігових коштах для господарської діяльності фірми становитимуть 80 000 грн, а на кінець місяця фірма бажає мати резерв обсягом 300 000 грн. Отже, використання коштів у січні можна описати у моделі так:

.

Наявні кошти в кінці місяця (окрім резерву) визначаються за формулою:

На початку другого місяця сума S1 може надаватися в кредит, але лише двох видів та має забезпечувати витрати діяльності. Одночасно на початку другого місяця повертаються кошти, що є процентами за одномісячний кредит, який було надано в січні. Враховуючи необхідність резерву на кінець другого місяця, маємо таке обмеження щодо використання коштів у лютому:

,

а наприкінці лютого обсяг наявних  коштів становитиме:

.

Аналогічно запишемо використання коштів у березні:

.

Загальна сума коштів, отриманих як проценти за надані кредити, дорівнюватиме:

.

Загалом математична  модель цієї задачі має вигляд:

за умов:

Приклад 2.3. На ринок поставляється картопля з трьох фермерських господарств за цінами відповідно 80, 75 та 65 коп. за 1 кг. На завантаження 1 т картоплі в господарствах відповідно витрачається по 1, 6 та 5 хвилин. Замовлено 12 т картоплі, і для своєчасної доставки необхідно, щоб на її завантаження витрачалося не більше сорока хвилин. Потрібно визначити, з яких фермерських господарств і в якій кількості необхідно доставляти картоплю, щоб загальна вартість закупівлі була мінімальною, якщо фермери можуть виділити для продажу відповідно 10, 8 та 6 т картоплі.

Побудова економіко-математичної моделі.

Позначимо: х₁ — кількість картоплі, що буде закуплена у першому господарстві (т); х₂, х₃ — кількість картоплі, закупленої відповідно у другого та третього фермерів (т).

Поставка потрібної  кількості картоплі описується рівністю:

,

наступне обмеження описує витрати  часу на завантаження продукції:

,

обмеження щодо можливостей поставок продукції з кожного господарства:

Вартість продукції, що закуповується, визначається як сума добутків ціни на відповідні її обсяги. Ціни 1 т картоплі відповідно дорівнюють 800, 750 та 650 грн в даних трьох фермерських господарствах. Отже, цільову функцію можна записати так:

.

Економіко-математична модель задачі має вигляд:

за умов:

2.2.2 Задача про «дієту»

Деякий раціон складається з n видів продуктів. Відомі вартість одиниці кожного продукту – , кількість необхідних організму поживних речовин m та потреба в кожній i-ій речовині – . В одиниці j-го продукту міститься поживної речовини i. Необхідно знайти оптимальний раціон , що враховує вимоги забезпечення організму необхідною кількістю поживних речовин.

Критерій оптимальності: мінімальна вартість раціону.

Позначимо через x₁, x₂, …, x_n – кількість відповідного j-го виду продукту . Система обмежень описуватиме забезпечення в раціоні кожної поживної речовини не нижче зазначеного рівня . Економіко-математична модель матиме вигляд:

за умов:

Аналогічно як у виробничій задачі, економіко-математична модель задачі про «дієту» (або про суміш) також може описувати інші економічні процеси. По суті цей тип задач дає змогу знаходити оптимальне поєднання деякого набору компонент в одне ціле, причому таке поєднання має задовольняти певні умови.

Приклад 2.4. Стандартом передбачається, що октанове число бензину А-76 має бути не нижчим 76, а вміст сірки — не більшим, ніж 0,3%. Для виготовлення такого бензину на заводі використовуються чотири компоненти. Дані про обсяги запасів компонентів, які змішуються, їх вартості, октанові числа та вміст сірки наведені в таблиці 2.2:

Таблиця 2.2 – Техніко-економічні показники компонент бензину

Показник	Компонента бензину
	№ 1	№ 2	№ 3	№4
Октанове число	68	72	80	90
Вміст сірки, %	0,35	0,35	0,30	0,20
Наявний обсяг, т	700	600	500	300
Вартість, грош. од./т	40	45	60	90

Необхідно визначити, скільки  тонн кожного компонента потрібно використати  для того, щоб отримати 1000 т бензину  А-76 з мінімальною собівартістю.

Побудова економіко-математичної моделі.

Позначимо через х_j кількість j-го компонента в суміші (т), j=1,2,3,4.

Перше обмеження забезпечує потрібне значення октанового числа в суміші:

.

Вміст сірки в суміші має не перевищувати 0,3 %:

,

а загальна маса утвореної  суміші має дорівнювати 1000 т:

.

Використання кожного компонента має не перевищувати його наявного обсягу:

Собівартість суміші визначається за формулою:

.

Загалом, економіко-математична  модель задачі має вигляд:

за умов:

.

Приклад 2.5. Учасник експедиції складає рюкзак, і йому необхідно розв’язати питання про те, які взяти продукти. У розпорядженні є м’ясо, борошно, сухе молоко, цукор. У рюкзаку залишилось для продуктів лише 45 дм³ об’єму, до того ж необхідно, щоб загальна маса продуктів не перевищувала 35 кг. Лікар експедиції рекомендував, щоб м’яса (за масою) було більше, ніж борошна принаймні удвічі, борошна не менше, ніж молока, а молока хоча б у вісім разів більше, ніж цукру. Скільки і яких продуктів потрібно покласти в рюкзак, щоб сумарна калорійність продуктів була найбільшою? Характеристики продуктів наведені в табл.2.2.

 

Таблиця 2.3 – Характеристики продуктів

Показники	Продукт
	м’ясо	борошно	молоко	цукор
Об’єм (дм3/кг)	1	1,5	2	1
Калорійність (ккал/кг)	1500	5000	5000	4000

 

Побудова економіко-математичної моделі.

Позначимо через х₁, х₂, х₃, х₄ масу (в кг) м’яса, борошна, молока і цукру відповідно.

Сумарна маса продуктів має не перевищувати 35 кг:

,

а об’єм, який вони мають займати, – не більше 45 дм³:

.

Крім того, мають виконуватися співвідношення стосовно пропорцій  за масою продуктів:

а) м’яса принаймні удвічі більше, ніж борошна, отже:

;

б) борошна не менше, ніж молока: ;

в) молока хоча б у вісім разів  більше, ніж цукру: .

Калорійність всього набору продуктів  можна визначити так:

.

Отже, економіко-математична  модель задачі має вигляд:

за умов:

.

2.2.3 Транспортна задача

Розглядається m пунктів виробництва та n пунктів споживання деякої однорідної продукції. Відомі обсяги виробництва продукції у кожному i-му пункті – та потреби кожного j-го пункту споживання – . Також задана матриця розмірністю , елементи якої є вартостями транспортування одиниці продукції з i-го пункту виробництва до j-го пункту споживання. Необхідно визначити оптимальні обсяги перевезень продукції з урахуванням наявності продукції у виробників та забезпечення вимог споживачів.

Критерій  оптимальності: мінімальна сумарна  вартість перевезень.

Позначимо через х_ij обсяг продукції, що перевозиться від i-го виробника до j-го споживача.

Можна вивезти від кожного виробника продукцію, що є в наявності. Тому для кожного і має виконуватись умова: . Забезпечення кожного споживача потрібною кількістю продукції дає умова: для кожного . Загальна вартість перевезень є сумою добутків . Необхідно, щоб виконувалась умова . Отже, економіко-математична модель транспортної задачі має такий вигляд: