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京都大学 情報学研究科 数理工学専攻 2014年8月実施 線形計画

Author

Casablanca

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日本語版

以下の (i), (ii) に答えよ。

(i) 次の線形計画問題 (P1) とその双対問題 (D1) を考える。

\[ \begin{aligned} \text{(P1)}: &\text{Minimize} &\boldsymbol{c}^{\top} \boldsymbol{x} \\ &\text{subject to} &\boldsymbol{A}\boldsymbol{x} = \boldsymbol{b} \\ &\text{ } &\boldsymbol{x} \geqq \boldsymbol{0} \end{aligned} \]
\[ \begin{aligned} \text{(D1)}: &\text{Maximize} &\boldsymbol{b}^{\top} \boldsymbol{w} \\ &\text{subject to} &\boldsymbol{A}^{\top} \boldsymbol{w} \leqq \boldsymbol{c} \end{aligned} \]

ここで、\(\boldsymbol{A}\)\(m \times n\) 定数行列、\(\boldsymbol{b}\)\(m\) 次元定数ベクトル、\(\boldsymbol{c}\)\(n\) 次元定数ベクトル、\(\boldsymbol{x}\)\(n\) 次元変数ベクトル、\(\boldsymbol{w}\)\(m\) 次元変数ベクトルであり、\(\top\) は転置記号を表す。 問題 (P1) と (D1) は最適解 \(\boldsymbol{x}^*\)\(\boldsymbol{w}^*\) を持つとする。 さらに \(\boldsymbol{y}^* = \boldsymbol{c} - \boldsymbol{A}^{\top} \boldsymbol{w}^*\) とする。 このとき、\(x_i^* > 0\) であれば、\(y_i^* = 0\) が成り立つことを示せ。

(ii) 次の線形計画問題を考える。

\[ \begin{aligned} \text{(P2)}: &\text{Maximize} &x_5 \\ &\text{subject to} &\sum_{i=1}^4 x_i \leqq 1 \\ &\text{ } &\sum_{i=k+1}^4 x_i \leqq kx_k \ (k=1,2,3) \\ &\text{ } &x_5 \leqq 4x_4 \end{aligned} \]

問題 (P2) の最適解を \(\boldsymbol{x}^*\) とする。問題 (P2) の双対問題の最適解を求めよ。さらに、

\[ \sum_{i=1}^4 x_i^* = 1 \]

が成り立つことを示せ。

English Version

Kai

(i)

\[ \begin{aligned} (x^*)^{\top}y* &= C^\top x^* - (Ax^*)^\top w^* \\ &= C^\top x^* - b^\top w^* \\ & = 0 \end{aligned} \]

since \(x^* \succeq \boldsymbol{0}\) and \(y^* = C - A^\top w^* \succeq \boldsymbol{0}\), hence if \(x^* \succ \boldsymbol{0}\),

\[ y^* = \boldsymbol{0} \]

(ii)

Let \(x = [x_1, x_2, x_3, x_4, x_5]^\top\), the problem (P2) can be written as

\[ \begin{aligned} &\text{Minimize} &- [0,0,0,0,1]x\\ &\text{Subject to} &\begin{bmatrix} 1 &1 &1 & 1 &0\\ -1&1 &1 &1 &0 \\ 0 &-2 &1 &1 &0 \\ 0 &0 &-3 &1 &0\\ 0 &0 &0 &-4 &1 \end{bmatrix} \boldsymbol{x} \preceq \begin{bmatrix} 1 \\ 0 \\ 0 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix} \end{aligned} \]

Denote as $$ \begin{aligned} &\text{Minimize} &-c^\top x \ &\text{Subject to} &A\boldsymbol{x} \preceq b \end{aligned} $$

Lagrangian:

\[ L(x, \lambda) = -c^\top x + \lambda ^\top (Ax - b)\]

Lagrange dual function:

\[ d(\lambda) = -b^\top \lambda \]

An optimal solution of dual problem is \(\lambda ^\top = [1,1,1,1,1]\). Since

\[ -c^\top x = -1, x_5 = 1 \]

By solving \(Ax = b\), we get

\[ \sum_{i=1}^{4}x_i^* = 1 \]