第四節 變量定義域為整數的應用
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某科技園區每天要為其\(\;300\;\)名員工提供穿梭巴士服務。園區有大車\(\;4\;\)輛,小車\(\;8\;\)輛;大車每輛可載\(\;60\;\)人,小車每輛可載\(\;20\;\)人,問每天最少要多少輛穿梭巴士提供服務?

首先,我們要建立數學模型:設科技園使用大車\(\;x\;\)輛,小車\(\;y\;\)輛。約束條件為\(\; \left\{ \begin{array}{l} 60x + 20y \ge 300 \\ x \le 4 \\ y \le 8 \\ x\;和\;y\;為非負整數 \end{array} \right.\;\)。

則題目要求在約束條件下尋找序偶\(\;\left(x,y\right)\;\)使得目標函數\(\;C=3x+2y\;\)極小化。

重寫第一條不等式為\(\;3x+y \ge 15\;\),然後在互動素材加入上述不等式,紅色部分劃出約束條件下的可行解區域。由於變量的定義域為非負整數,可行解區域是一些離散的格點。我們使用平移直線法,調整目標函數,再平移與其對應的綠色直線,有以下發現:

  1. 當序偶\(\;\left(x,y\right)=\left(4,3\right)\;\)時,目標函數\(\;C=x+y\;\)在約束條件下達到極小值\(\;7\)。
  2. 每天最少要\(\;7\;\)輛穿梭巴士提供服務。

小喬只有一個衣櫃。如果用來放夏季衣服,可以放\(\;12\;\)件;如果用來放冬季衣服,可以放\(\;6\;\)件。小喬每季至少要有\(\;3\;\)件衣服。如果小喬擁有\(\;1\;\)件夏季衣服和擁有\(\;1\;\)件冬季衣服得到的快樂是一樣的,問小喬如何買衣服最快樂?

首先,我們要建立數學模型:設小喬買衣服策略為夏季衣服\(\;x\;\)件,冬季衣服\(\;y\;\)件。約束條件為\(\; \left\{ \begin{array}{l} \dfrac{x}{12} + \dfrac{y}{6} \le 1 \\ x \ge 3 \\ y \ge 3 \\ x\;和\;y\;為非負整數 \end{array} \right.\;\)。

則題目要求在約束條件下尋找序偶\(\;\left(x,y\right)\;\)使得代表快樂的目標函數\(\;C=x+y\;\)極大化。

重寫第一條不等式為\(\;x+2y \le 12\;\),然後在互動素材加入上述不等式,紅色部分劃出約束條件下的可行解區域。由於變量的定義域為非負整數,可行解區域是一些離散的格點。我們使用平移直線法,調整目標函數,再平移與其對應的綠色直線,有以下發現:

  1. 當序偶\(\;\left(x,y\right)=\left(6,3\right)\;\)時,目標函數\(\;C=x+y\;\)在約束條件下達到極大值\(\;9\)。
  2. 小喬買夏季衣服\(\;6\;\)件,冬季衣服\(\;3\;\)件最快樂。

如上一例,小喬只有一個衣櫃。如果用來放夏季衣服,可以放\(\;12\;\)件;如果用來放冬季衣服,可以放\(\;6\;\)件。小喬每季至少要有\(\;3\;\)件衣服。

小喬發現冬季約會比較多,而擁有\(\;1\;\)件冬季衣服得到的快樂其實等價於擁有\(\;3\;\)件夏季衣服得到的快樂是一樣的,問小喬現在如何買衣服最快樂?

數學模型還是一樣的:設小喬買衣服策略為夏季衣服\(\;x\;\)件,冬季衣服\(\;y\;\)件。約束條件為\(\; \left\{ \begin{array}{l} \dfrac{x}{12} + \dfrac{y}{6} \le 1 \\ x \ge 3 \\ y \ge 3 \\ x\;和\;y\;為非負整數 \end{array} \right.\;\)。 則題目要求在約束條件下尋找序偶\(\;\left(x,y\right)\;\)使得代表快樂的目標函數\(\;C=x+3y\;\)極大化。

重寫第一條不等式為\(\;x+2y \le 12\;\),然後在互動素材加入上述不等式,紅色部分劃出約束條件下的可行解區域。由於變量的定義域為非負整數,可行解區域是一些離散的格點。我們使用平移直線法,調整目標函數,再平移與其對應的綠色直線,有以下發現:

  1. 當序偶\(\;\left(x,y\right)=\left(4,4\right)\;\)時,目標函數\(\;C=x+3y\;\)在約束條件下達到極大值\(\;16\)。
  2. 小喬買夏季衣服\(\;4\;\)件,冬季衣服\(\;4\;\)件最快樂。

日常生活中應用線性規劃時,變量的定義域經常是整數。這時候,約束條件下的可行解區域就剩下一些離散的格點。所以,我們只能使用平移直線法。我們透過以下的例子來學習。

典型的問題

某店生產兩種麵包:白麵包和咸麵包。每個麵包所需材料如下:

白麵包咸麵包
麵粉\(\;3\;\)份\(\;2\;\)份
\(\;1\;\)份\(\;3\;\)份
穩定劑\(\;1\;\)份\(\;0\;\)份

現在店中只剩下\(\;15\;\)份麵粉、\(15\;\)份鹽和\(\;3\;\)份穩定劑,請問這些材料最多還可以做多少個麵包?

首先,我們要建立數學模型:設該店把這些材料用來做\(\;x\;\)個白麵包和\(\;y\;\)個咸麵包。

約束條件為\(\; \left\{ \begin{array}{l} 3x + 2y \le 15 \\ x +3y \le 15 \\ x \le 3 \\ x\;和\;y\;為非負整數 \end{array} \right.\;\)。

則題目要求在約束條件下尋找序偶\(\;\left(x,y\right)\;\)使得目標函數\(\;C=x+y\;\)極大化。

在互動素材加入上述不等式,紅色部分劃出約束條件下的可行解區域。由於變量的定義域為非負整數,可行解區域是一些離散的格點,我們使用平移直線法。調整目標函數,再平移與其對應的綠色直線,有以下發現:

  1. 當序偶\(\;\left(x,y\right)=\left(2,4\right)\;\)或\(\;\left(3,3\right)\;\)時,目標函數\(\;C=x+y\;\)在約束條件下達到極大值\(\;6\)。
  2. 這些材料最多還可以做\(\;6\;\)個麵包。
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