组合最优化 · 第5章

优化模型的建立与转化

从非线性到线性、从连续到离散——构建可求解的优化模型的系统方法论

📚 授课对象:数学学院研究生一年级 🏫 东南大学数学学院 👨‍🏫 授课教师:关老师 📅 3课时
第一部分

5.1 优化模型的转化

将 Minimax、分式、绝对值等非标准形式转化为标准线性规划的系统方法

Minimax/Maximin Charnes-Cooper 变换 绝对值处理 硬约束→软约束 对偶理论 McCormick 包络
第二部分

5.2 优化模型中逻辑变量的妙用

用0-1变量将逻辑关系、非凸约束转化为线性约束,构建MILP模型

0-1逻辑建模 指示约束 & Big-M 分段线性化 择一约束 双线性项精确转化 TSP子环消除
第三部分

5.3 整数线性规划的全单位模矩阵

当LP松弛自动给出整数解——TUM理论及其在组合优化中的核心作用

ILP形式与难度 TUM定义 Hoffman-Kruskal定理 TUM充分条件 网络流与TUM 二分图匹配

📖 课程概述

本章是组合最优化课程的核心方法论章节,系统讲解如何将现实世界中的复杂优化问题转化为可高效求解的数学模型。三个部分形成完整的知识链条:

5.1 模型转化 —— 教我们如何"化简":将非标准形式的优化问题(Minimax、分式、绝对值、双线性)通过巧妙的代数技巧转化为标准线性规划或凸优化问题,使其可被成熟算法求解。

5.2 逻辑变量 —— 教我们如何"建模":利用0-1变量的强大表达能力,将逻辑条件(蕴含、互斥、择一)、分段函数、指示约束等复杂结构精确地编码为混合整数线性规划(MILP)。

5.3 全单位模矩阵 —— 教我们何时可以"偷懒":揭示一类特殊的整数规划问题,其LP松弛的解自动为整数,从而可以用多项式时间的线性规划算法求解看似困难的组合优化问题(最短路、最大流、二分图匹配等)。

🗺️ 知识结构

实际问题 非线性/非凸/含逻辑
5.1 模型转化 化为线性/凸形式
5.2 逻辑变量 0-1编码复杂结构
MILP / ILP 混合整数线性规划
5.3 TUM 特殊结构→LP可解
高效求解 单纯形法 / Gurobi

📋 预备知识

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