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京都大学 情報学研究科 数理工学専攻 2018年8月実施 線形計画

Author

Casablanca

Description

日本語版

\(\boldsymbol{A}\)\(m \times n\) 行列、\(\boldsymbol{b}\)\(m\) 次元ベクトルとする。 \(\boldsymbol{A}\boldsymbol{z} = \boldsymbol{b}\) を満たす \(n\) 次元ベクトル \(\boldsymbol{z}\) が存在するとする。 このとき、次の線形計画問題 (P) を考える。

\[ \begin{aligned} \text{(P): } \text{Minimize } \ &\sum_{i=1}^n y_i \\ \text{subject to } \ &\boldsymbol{A}\boldsymbol{x} = \boldsymbol{b} \\ &y_i \geqq x_i \ (i = 1, \ldots, n) \\ &y_i \geqq -x_i \ (i = 1, \ldots, n) \end{aligned} \]

ただし、決定変数は \(\boldsymbol{x}, \boldsymbol{y} \in \mathbb{R}^n\) である。

以下の問いに答えよ。

(i) 問題 (P) の双対問題を書け。

(ii) 問題 (P) が最適解を持つことを示せ。

(iii) \(m = 2, n = 3\) とし、

\[ \boldsymbol{A} = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & 5 \end{pmatrix}, \quad \boldsymbol{b} = \begin{pmatrix} 2 \\ 10 \end{pmatrix} \]

とする。このとき、問題 (P) の最適解を求めよ。

English Version

Kai

(i)

Lagrangina:

\[ \begin{aligned} L(y,z, \lambda, \nu, \mu) &= \boldsymbol{1}^\top y + \mu ^\top (b - Ax) + \lambda ^\top (x - y) + \nu ^\top (-x-y) \\ &= (1-\lambda -\nu )^\top y + (-\mu ^\top A + \lambda ^\top - \nu ^\top ) x + b^\top \mu \end{aligned} \]
\[ \begin{aligned} \text{(Q): } \text{Maximize} \ &b^\top \mu \\ \text{subject to } \ &\mu + \nu = \boldsymbol{1} \\ &\mu^\top A = (\lambda - \nu) ^\top \\ &\lambda \succeq 0, \nu \succeq 0 \end{aligned} \]

(ii)

\[ b^\top \mu = (Ax)^\top \mu = x^\top(\lambda ^\top - \mu ^\top), -1 \preceq \lambda - \mu \preceq 1 \]

For a given \(\widetilde{x}\), \(v(p) \geq \max (\widetilde{x}^\top (\lambda - \nu))\), \(\widetilde{x}^\top (\lambda - \nu)\) is bounded, thus (P) is bounded, and therefore has an optimal solution.

(iii)

\[ \begin{pmatrix} 1 & 2&0 \\ 0 & 0&5 \end{pmatrix} x = \begin{pmatrix} 2 \\ 10 \end{pmatrix} \Rightarrow x = (2-2u, u, 2)^\top \]
\[ \min \sum_{i=1}^{n}y_i = \min(|2-2u| + |u| + 2) = 3 \]
\[ y^* = (0,1,2)^\top \]