Question

Difficulty: Very hardMinimum Maliyetli Akış Problemi

Bir büyükşehir belediyesinin içme suyu şebekesinde, ana su deposundan (Düğüm 1) iki farklı ilçeye (Düğüm 4 ve Düğüm 5) su pompalanacaktır. Şebekedeki düğümlerin arz/talep miktarları (bin m3m^3) ve mevcut bir temel uygun çözüme ait yay akışları ile birim pompalama maliyetleri (bin m3m^3 başına birim maliyet) aşağıda verilmiştir:

Arz ve Talep Miktarları: b1=20b_1 = 20, b2=0b_2 = 0, b3=0b_3 = 0, b4=10b_4 = -10, b5=10b_5 = -10

Mevcut (Başlangıç) Temel Yaylar:
- (1,2)(1,2) yayı: Akış (x12x_{12}) = 20, Birim Maliyet (c12c_{12}) = 2
- (2,3)(2,3) yayı: Akış (x23x_{23}) = 20, Birim Maliyet (c23c_{23}) = 3
- (3,4)(3,4) yayı: Akış (x34x_{34}) = 10, Birim Maliyet (c34c_{34}) = 4
- (3,5)(3,5) yayı: Akış (x35x_{35}) = 10, Birim Maliyet (c35c_{35}) = 5

Temel Dışı (Alternatif) Yaylar ve Maliyetleri:
- (1,3)(1,3) yayı: Birim Maliyet (c13c_{13}) = 6
- (2,4)(2,4) yayı: Birim Maliyet (c24c_{24}) = 6
- (2,5)(2,5) yayı: Birim Maliyet (c25c_{25}) = 9

Şebekedeki tüm yayların kapasiteleri, olası akış transferlerini kısıtlamayacak kadar yeterince büyüktür (uij30u_{ij} \ge 30).

Verilen bu başlangıç temel uygun çözümü üzerinden Şebeke Simpleks algoritması kullanılarak optimum akış planı elde edildiğinde, şebekedeki minimum toplam pompalama maliyeti kaç birim olur?

  1. A
    130
  2. B
    170
  3. 180Answer
  4. D
    190
  5. E
    200

Answer

Optimum akış planında şebekedeki minimum toplam taşıma maliyeti 180 birim olacaktır.
Şebeke simpleks algoritmasının başlangıç adımında, temel yayların birim maliyetleri kullanılarak düğüm potansiyelleri (u_1=0, u_2=2, u_3=5, u_4=9, u_5=10) hesaplanır. Temel dışı (2,4) yayının indirgenmiş maliyeti c_24 + u_2 - u_4 = 6 + 2 - 9 = -1 olarak bulunur ve bu yay temel çözüme dahil edilir. Bu yay eklendiğinde 2 -> 4 -> 3 -> 2 şeklinde bir çevrim oluşur. Akış aktarımı, sıfırlanacak olan ilk temel yay tarafından (x_34 = 10 birim) sınırlanır. Toplam maliyet, aktarılan birim (10) ile indirgenmiş maliyetin mutlak değerinin (1) çarpımı kadar (10 birim) azalır. Başlangıç maliyeti 190 olduğundan yeni minimum maliyet 180 olur. Sonraki potansiyel kontrollerinde tüm indirgenmiş maliyetler pozitif çıktığından bu çözüm optimaldir.

Step-by-Step Solution

1
Başlangıç temel uygun çözümünün toplam maliyetini hesaplayın.
Z_0 = (20 * 2) + (20 * 3) + (10 * 4) + (10 * 5) = 40 + 60 + 40 + 50 = 190 birim.
Mevcut durumu ve referans maliyetini belirlemek için başlangıç akışları ile birim maliyetler çarpılarak toplanır.
2
Düğüm potansiyellerini (simpleks çarpanları, u_i) belirleyin.
u_1 = 0 atanır. Temel yaylar için u_i + c_ij = u_j eşitliği kullanılır: u_2 = 0 + 2 = 2; u_3 = 2 + 3 = 5; u_4 = 5 + 4 = 9; u_5 = 5 + 5 = 10.
Temel dışı yayların optimalliğini test etmek üzere indirgenmiş maliyetleri hesaplamak için düğüm potansiyellerine ihtiyaç vardır.
3
Temel dışı yayların indirgenmiş maliyetlerini (c_ij_bar) hesaplayın ve giren yayı belirleyin.
c_13_bar = 6 + 0 - 5 = +1. c_24_bar = 6 + 2 - 9 = -1. c_25_bar = 9 + 2 - 10 = +1. c_24_bar negatif olduğu için (2,4) yayı çözüme girer.
Minimum maliyet problemi olduğu için, indirgenmiş maliyeti negatif olan yay çözümü iyileştirir (maliyeti düşürür).
4
(2,4) yayını temel çözüme ekleyerek oluşacak çevrimi (loop) ve aktarılacak maksimum akış miktarını belirleyin.
Oluşan çevrim: 2 -> 4 -> 3 -> 2 şeklindedir. Akış değişimleri: x_24 = +Delta, x_34 = 10 - Delta, x_23 = 20 - Delta. Negatif olmama kısıtından dolayı Max Delta = 10 olur.
Giren yayın şebeke dengesini bozmaması için çevrim üzerindeki ters yönlü akışların kapasiteyi aşmadan azaltılması gerekir. Darboğaz x_34 yayındadır.
5
Yeni maliyeti hesaplayın ve çözümün optimalliğini doğrulayın.
Maliyet azalışı = Delta * |c_24_bar| = 10 * |-1| = 10 birim. Yeni maliyet: 190 - 10 = 180 birim. Yeni çarpanlar ile tüm temel dışı yayların indirgenmiş maliyetleri pozitif olduğundan çözüm optimaldir.
Optimum durum, iterasyon sonucunda hiçbir temel dışı yayın negatif indirgenmiş maliyete sahip olmaması ile kanıtlanır.

Key Concept

Şebeke Simpleks Algoritmasında Düğüm Potansiyelleri ve İndirgenmiş Maliyet Analizi
Rate this question