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我教“简单的线性规划”的几点感受

作者:丁连根 来源:本站原创 发布时间:2006年12月10日
 

现行高中新教材增添了简单的线性规则一节,这无疑将成为高中数学整个教学过程中一个新的亮点.通过对这一节的学习,可有力地帮助学生形成优良的学习品质,拉近数学学习与现实生活的距离,激发学生学习数学的兴趣.但笔者通过对这一节内容的教学,发现本节中有几个值得商榷的问题

问题1:目标函数的最值如何解释

从目标函数的定义看,z=ax+by(一般a、b均不为零)是欲达到最大值或最小值所涉及的变量x、y的解析式.在如何解释当z=ax+by经过最优解这点时的最值上,课本例题中,均采用先作直线l:ax+by=0,然后平移至最优解达到最值.至于是最大值还是最小值,从课本P.613看,是把直线l向右上方平移至l1的位置时,直线经过可行域中的点M(M是最优解),且与原点距离最大,此时z=600x+1000y取得大值.从P.634看,作出一组平行直线x+y=t中(t为参数)经过可行域内的点且和原点距离最近的直线……”这时z=x+y取最小值.

这两个例题似乎给人以这样的感觉,直线到原点的距离最远,目标函数z=ax+by达到最大值;距离最近,目标函数取最小值.其实不然,直线到原点的距离最远,有时,目标函数z=ax+by,当z<0时,所取的却是最小值,反之亦然.

例如,线性约束条件

≤10

x+y≥10

x-y≤3

目标函数为z=x-2

 可行域为:

当直线z=x-2y过A点,直线到原点距离最小,但z=x-2y达最大值-12,而当直线z=x-2y过B点时,直线到原点距离最大,但z=x-2y达最小值-20.因此在这类问题的处理中,笔者认为,应将z=ax+by(b≠0)改写为y=-(a/b)x+(z/b),其中-a/b是斜率,为定值,而z/b是直线在y轴上的截距,故当直线到原点的距离最远时,|z/b|达最大;距离最近时,|z|/|b|取最小,所以,目标函数何时最值是与z的符号有关.而事实上,课本例题中直线到原点距离最远,z达最大,到原点距离最近,z达最小这句话的前提是z>0(此时|z/b|=z/|b|).
 问题2:如何进行近似运算

近似运算在数学运算中很常见,一般有三种法则,即四舍五入,取整及进一法,那么在线性规划中该使用那种法则?教材P.623中有以下一段:

解方程组 5x+4y=300

4x+9y=360

得M点的坐标为 x=36029≈124

y=100029≈344

 然而我们注意到其中的x=360291241379…,y=1000293448275…,按题目要求精确到01

如果四舍五入,则x=124,y=345;如果取整,则x=124,y=344;如果进一,则x=125,y=345

 从教材所给结果看是采用取整运算法,那么取整运算法一定正确吗?教材在这里没有作任何说明.事实上,简单地采取取整法,显然不完全正确.在线性规划中近似运算至少遵循两个原则:近似解应在可行域中;使目标函数取最值.故教材所给的结果(124344)是(124344),(124345),(125344),(125345)四个解中经过检验筛选所得.因而有许多资料也出现了近似运算的差错.同时又必须指出:如果将精确01理解为十分位整点,则本例题中(124344)并不是最优解,例如(121346)就更优.

问题3:关于整点最优解的运算

线性规划的实质是解决实际问题,而实际问题中的许多元素一般都是自然数.因而对整点问题的教学应占有较大的比重.教材对整点问题虽有涉及,但力度明显不够,处理方法欠妥.

从P.834看,目标函数为z=x+y,它的非整点最优解为(185395),这时z=x+y=575,由于题目中x、y是整数,因而z=x+y是整数,结合可行域可知,使x+y是整数之最小整数是12,即为x+y=12,这是一个关于x、y的不定方程,其中适合条件的x、y的解共有13组,(012),(111),(210),,(120)这13组解中那些是整点最优解,应代回约束条件检验.但要注意到这几个整点中可能没有一个整点在可以域中,因此关于整点不定方程x+y=12,笔得认为应改为x+y=k(k≥12,kN)分别对k从1213……不断取值,从而检验出最优整点解.由此可以看出整点最优解的运算量较大,且易出差错,因此在实际教学中,教师应充分利用好线性规划这一节的特点,着力培养学生严肃的学习态度和一丝不苟的学习精神,利用课本所给的知识解好不定方程,并逐一验证寻找出最优整点解.同时应充分利用现代教学手段,借助多媒体将直角坐标系中的整点用网格线打出,让z=ax+by目标函数动起来,通过直线的真正平移,寻找到整点最优解.
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