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高考申論題 112年 [工業工程] 作業研究

第 一 題

📖 題組:
一、有一線性規劃問題如下: 極大化Z=3X1+3X2+4X3 受限於4X1+2X2+5X3≤100 2X1+2X2+4X3≤80 X1≥0, X2≥0, X3≥0 (一)請利用單純法(simplex method)求解此線性規劃問題的最佳解。(10分) (二)在最佳解決策變數值不變的情況下,請分別求算X1、X2及X3各變數其目標函數係數個別變動時允許的變動範圍分別為何?(10分) (三)在最佳基底不變的情況下,請分別求算各右手(right hand side)常數個別變動時允許的變動範圍分別為何?(10分)
📝 此題為申論題,共 3 小題

小題 (一)

請利用單純法(simplex method)求解此線性規劃問題的最佳解。(10分)

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面對線性規劃的單純法求解題,首先應引入缺鬆變數(Slack Variables)將不等式轉換為標準型。接著建立初始單純法表格(Simplex Tableau),透過尋找目標函數列(Z列)的最負係數決定入基變數(Entering Variable),並以最小比值法則(Minimum Ratio Test)決定出基變數(Leaving Variable),反覆進行樞紐列運算,直到Z列係數皆大於等於零,即可得出最佳解。

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【解題關鍵】引入缺鬆變數建立標準型,反覆執行樞紐運算直至目標函數列(Z列)所有變數係數皆大於等於零。 【解答】 Step 1:轉換為標準型

小題 (二)

在最佳解決策變數值不變的情況下,請分別求算X1、X2及X3各變數其目標函數係數個別變動時允許的變動範圍分別為何?(10分)

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本題測驗「敏感度分析」中目標函數係數(C_j)的允許變動範圍。首先需由第(一)小題求得的最佳單純形表或基底反矩陣出發。對於非基底變數,直接分析其檢驗數($\bar{C}_j$)保持大於等於0的條件;對於基底變數,則需將其係數變動量乘上所在列的係數並加至檢驗數列,確保所有非基底變數的檢驗數仍不小於0。

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【解題思路】利用最終最佳單純形表的檢驗數與各列係數,透過敏感度分析公式確保所有非基底變數的檢驗數 $\bar{C}_j \ge 0$,求出各目標函數係數的允許變動範圍。 【詳解】 已知由單純法求得最佳基底為 $B = [X_1, X_2]$,最佳解為 $X_1 = 10, X_2 = 30, X_3 = 0$,原始目標函數係數為 $C_1 = 3, C_2 = 3, C_3 = 4$。

小題 (三)

在最佳基底不變的情況下,請分別求算各右手(right hand side)常數個別變動時允許的變動範圍分別為何?(10分)

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要求解右手邊常數的敏感度分析,核心概念是「維持可行性 (Feasibility)」,即新的決策變數解 X_B = B^(-1) * b_new 必須大於等於零。考生應先由最佳單純形表取得基底反矩陣 B^(-1)(通常為鬆弛變數 S1, S2 所對應的欄位向量),再分別對 b1, b2 加上變動量 Δ,並解聯立不等式求得允許範圍。

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【解題思路】利用最佳單純形表中的基底反矩陣(Inverse Basis Matrix)與右手邊常數向量相乘,要求新解符合非負限制條件($X_B \ge 0$),藉此求出維持原最佳基底的常數變動範圍。 【詳解】 已知:由第(一)題求解單純法之結果可知,最佳解發生在基底變數為 $X_1, X_2$ 時。由原始限制式係數矩陣可得對應的基底矩陣 $B$ 為:

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