匈牙利数学家克尼格(D.Konig)证明了定理4.4和定理4.5,基于这两个定理,解分配问题的计算方法被称为匈牙利算法。
匈牙利算法求指派问题的条件是:问题求最小值、人数和工作数相等以及效率非负。
【定理4.4】 如果从分配问题效率矩阵[cij]的每一行(列)元素中分别减去(或加上)一个常数ui(vj)得到一个新的效率矩阵[bij],其中b ij=cij-u i-vj,则[b ij]的最优解等价于[cij]的最优解,其中cij及bij均非负。
【定理4.5】 若矩阵A的元素可分成“0”与非“0”两部分,则覆盖零元素的最少直线数等于位于不同行不同列的零元素(称为独立元素)的最大个数。
由定理4.5知,如果最少直线数等于m,则存在m个独立的零元素,令这些零元素对应的xij等于1,其余变量等于0,这时目标函数值等于零,得到最优解。
通过定理4.4,可将效率表中的某些元素转换为m个独立的零元素,通过定理4.5,可以判别出效率表中有多少个独立的零元素。
匈牙利方法求解指派问题的步骤为:
第一步:将效率矩阵[cij]每行的各元素减去该行的最小元素,再将所得矩阵每列的各元素减去该列的最小元素,那么所得矩阵的每一行和每一列都有零元素。
第二步:在第一步所得的矩阵中找出所有位于不同行不同列的零元素,并用最少条数的直线覆盖全部的零元素。画线及找独立的零元素的方法如下:
1)检查效率矩阵C的每行、每列,在零元素最少的行(列)中任选一个零元素并对其打上括号,将该“0”所在行、列其他零元素全部打上“×”,同时对打括号及“×”的零元素所在行或列画一条直线。
2)重复步骤1),在剩下的没有被直线覆盖的行、列中再找最少的零元素,打上括号、打上“×”及画线,直到所有的零元素被直线覆盖。如果效率矩阵每行(或列)都有一个打括号的零元素,则上述步骤得到的打括号的零元素都位于不同行不同列,令对应打括号零元素的变量xij等于1就得到了问题的最优解;如果效率矩阵中打括号的零元素个数小于m,转入第三步。
第三步:利用定理4.4对矩阵进行变换,增加独立零元素的个数。
【例4.12】 已知由A、B、C、D四项运输任务,现由甲、乙、丙、丁四个人负责完成,已知每个人完成每项运输任务的费用(百元)如表4-21所示,试求使总费用最小的指派方案。
表4-21
解 第一步:变换系数矩阵。(www.daowen.com)
找出效率矩阵中每行的最小元素,分别从每行中减去最小元素,得:
找出矩阵每列的最小元素,分别从每列中减去该最小元素,得:
第二步:用最少的直线覆盖所有“0”得:
第三步:这里直线数等于3<m=4,要进行下一轮计算。
1)从矩阵未被直线覆盖的数字中找出一个最小数k并且减去k,矩阵中k=5。
2)直线相交处的元素加上k,被直线覆盖而没有相交的元素不变。
3)回到第二步画线,最少直线数为4=m条,得到矩阵:
表明矩阵中存在4个不同行不同列的零元素,令这些零元素对应的变量xij等于1,其余变量等于0,得到两个最优解:
即最优方案有两个,第一种方案为甲完成任务A,乙完成任务C,丙完成任务D,丁完成任务B;第二种方案为甲完成任务A,乙完成任务D,丙完成任务C,丁完成任务B。最小费用为:
Z=58+150+250+55=513(百元)
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