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C#による 線形計画法

C#によるサンプルソースコード
使用関数名:e04mf

Keyword: 線形計画法

概要

本サンプルは線形計画法を行うC#によるサンプルプログラムです。 本サンプルは以下に示される制約条件を満たす目的関数を最小化する解を求めて出力します。

線形計画法のデータ 

※本サンプルはNAG Library for .NETに含まれる関数 e04mf() のExampleコードです。本サンプル及び関数の詳細情報は e04mf のマニュアルページをご参照ください。
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入力データ

(本関数の詳細はe04mf のマニュアルページを参照)

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e04mf Example Program Data
  7  7                                             :Values of N and NCLIN
 -0.02  -0.20  -0.20  -0.20  -0.20   0.04   0.04   :End of CVEC
  1.00   1.00   1.00   1.00   1.00   1.00   1.00
  0.15   0.04   0.02   0.04   0.02   0.01   0.03
  0.03   0.05   0.08   0.02   0.06   0.01   0.00
  0.02   0.04   0.01   0.02   0.02   0.00   0.00
  0.02   0.03   0.00   0.00   0.01   0.00   0.00
  0.70   0.75   0.80   0.75   0.80   0.97   0.00
  0.02   0.06   0.08   0.12   0.02   0.01   0.97   :End of matrix A
 -0.01  -0.10     -0.01     -0.04     -0.10     -0.01     -0.01
 -0.13  -1.0E+25  -1.0E+25  -1.0E+25  -1.0E+25  -9.92E-02 -3.0E-03 :End of BL
  0.01   0.15      0.03      0.02      0.05      1.0E+25   1.0E+25
 -0.13  -4.9E-03  -6.4E-03  -3.7E-03  -1.2E-03   1.0E+25   2.0E-03 :End of BU
 -0.01  -0.03   0.00  -0.01  -0.10   0.02   0.01   :End of X 

  • 1行目はタイトル行で読み飛ばされます。
  • 2行目は変数の数(n)と制約の数(nclin)を指定しています。
  • 3行目は目的関数の係数(cvec)を指定しています。
  • 4〜10行目は線形制約行列Aを指定しています。
  • 11行目は変数の下限(bl(1,..7))を指定しています。
  • 12行目は線形制約の下限(bl(8,..,14))を指定しています。
  • 13行目は変数の上限(bu(1,..,7))を指定しています。
  • 14行目は線形制約の上限(bu(8,..,14))を指定しています。
  • 15行目は変数xの実行不可能な初期値を指定しています。

出力結果

(本関数の詳細はe04mf のマニュアルページを参照)

この出力例をダウンロード
e04mf Example Program Results


 Calls to E04MHF
 ---------------

      List
      Print level = 10

 *** E04MFF

 Parameters
 ----------

 Problem type...........        LP

 Linear constraints.....         7       Feasibility tolerance..  1.05E-08
 Variables..............         7       Optimality tolerance...  1.05E-08

 Infinite bound size....  1.00E+20       COLD start.............
 Infinite step size.....  1.00E+20       EPS (machine precision)  1.11E-16

 Check frequency........        50       Expand frequency.......         5
 Minimum sum of infeas..        NO       Crash tolerance........  1.00E-02

 Print level............        10       Iteration limit........        70
 Monitoring file........        -1

 Workspace provided is     IWORK(      17),  WORK(     182).
 To solve problem we need  IWORK(      17),  WORK(     182).


  Itn     Step Ninf Sinf/Objective  Norm Gz
    0  0.0E+00    3   1.038000E-01  0.0E+00
    1  4.1E-02    1   3.000000E-02  0.0E+00
    2  4.2E-02    0   3.500000E-02  0.0E+00
    3  1.9E-01    0   3.090243E-02  0.0E+00
    4  1.5E-01    0   2.989710E-02  0.0E+00
    5  3.7E-01    0   2.725725E-02  0.0E+00
    6  6.5E-01    0   2.403774E-02  0.0E+00
    7  4.6E+00    0   2.359648E-02  0.0E+00


 Varbl State     Value       Lower Bound   Upper Bound    Lagr Mult   Slack

 V   1    LL  -1.000000E-02 -1.000000E-02  1.000000E-02  0.3301         .
 V   2    LL  -0.100000     -0.100000      0.150000      1.4384E-02     .
 V   3    UL   3.000000E-02 -1.000000E-02  3.000000E-02 -9.0997E-02     .
 V   4    UL   2.000000E-02 -4.000000E-02  2.000000E-02 -7.6612E-02     .
 V   5    FR  -6.748534E-02 -0.100000      5.000000E-02       .      3.2515E-02
 V   6    FR  -2.280130E-03 -1.000000E-02      None           .      7.7199E-03
 V   7    FR  -2.345277E-04 -1.000000E-02      None           .      9.7655E-03


 L Con State     Value       Lower Bound   Upper Bound    Lagr Mult   Slack

 L   1    EQ  -0.130000     -0.130000     -0.130000      -1.431     -2.7756E-17
 L   2    FR  -5.479544E-03      None     -4.900000E-03       .      5.7954E-04
 L   3    FR  -6.571922E-03      None     -6.400000E-03       .      1.7192E-04
 L   4    FR  -4.849707E-03      None     -3.700000E-03       .      1.1497E-03
 L   5    FR  -3.874853E-03      None     -1.200000E-03       .      2.6749E-03
 L   6    LL  -9.920000E-02 -9.920000E-02      None       1.501     -4.1633E-17
 L   7    LL  -3.000000E-03 -3.000000E-03  2.000000E-03   1.517      5.2042E-18

 Exit E04MFF - Optimal LP solution.

 Final LP objective value =   0.2359648E-01

 Exit from LP problem after     7 iterations.

 ** e04mf returned with ifail =   0

  Varbl    Istate      Value                Lagr Mult

  V    1    1             -0.01          0.3301
  V    2    1              -0.1         0.01438
  V    3    2              0.03          -0.091
  V    4    2              0.02        -0.07661
  V    5    0        -0.0674853               0
  V    6    0       -0.00228013               0
  V    7    0      -0.000234528               0


  L Con    Istate      Value                Lagr Mult

  L    1    3             -0.13          -1.431
  L    2    0       -0.00547954               0
  L    3    0       -0.00657192               0
  L    4    0       -0.00484971               0
  L    5    0       -0.00387485               0
  L    6    1           -0.0992           1.501
  L    7    1            -0.003           1.517


  Final objective value =      0.02359648


  Exit from problem after       7  iterations.

  • 15〜30行目に以下に示すプログラムのオプション引数が出力されています。
    Problem type 最小化される目的関数の種類。"LP"は線形計画問題を意味します。
    Linear constraints 線形制約の数。
    Feasibility tolerance 実行可能解での許容可能な制約違反の最大値。
    Variables 変数の数。
    Optimality tolerance 最適とみなされる解に関して境界や一般制約に正しい符号がついているかどうか判断する際の許容値。
    Infinite bound size 無限の境界値。この値以上の上限は+∞と見なされます。またこの値を負に反転させた値以下の下限は−∞と見なされます。
    COLD start コールドスタート。初期のワーキングセットがどのように選ばれるかを示しています。変数や制約の値に基づいて初期のワーキングセットが選ばれていることを意味します。
    Infinite step size 無限解へのステップと見なされる変数の変化の大きさ。
    EPS (machine precision) マシンの精度。
    Check frequency xの値がワーキングセットにある制約を満たしているか確認するための数値テストを行う反復の頻度。
    Expand frequency 強制的に処理を進める反復の頻度。
    Minimum sum of infeas 最小の実行不可能和。
    Crash tolerance 初期のワーキングセットに含まれる不等式制約が下限/上限のこの範囲内にあることを示しています。
    Print level 結果出力のレベル。"10"は最終解と各反復の結果を出力することを意味します。
    Iteration limit 反復数の限界値。
    Monitoring file モニタリング情報の生成を制御します。"-1" はモニタリング情報が生成されないことを意味します
    Workspace provided is 用意されているワークスペース。
    To solve problem we need 問題を解くのに必要なワークスペース。
  • 33〜41行目には以下が出力されています。
    Itn 反復回数。
    Step 探索方向に進んだステップ幅。
    Ninf 違反した制約の数。
    Sinf/Objective 目的関数の値。
    Norm Gz 縮小勾配のユークリッド・ノルム。
  • 44〜52行目には以下が出力されています。
    Varbl 変数を示す "V"、インデックス。
    State 変数の状態。"LL" は下限であることを意味し、"UL" は上限であることを意味し、"FR" は下限も上限もワーキングセットにはないことを意味します。
    Value 最後の反復での変数の値。
    Lower Bound 変数の下限。
    Upper Bound 変数の上限。
    Lagr Mult 関連する境界のラグランジュ乗数。
    Slack スラック(変数の値と上限/下限の近いほうとの差)
  • 55〜63行目には以下が出力されています。
    L Con 線形制約を示す "L"、インデックス。
    State 制約の状態。"EQ" は固定制約を意味し、"LL" は下限であることを意味し、"FR" は下限も上限もワーキングセットにはないことを意味します。
    Value 最後の反復での制約の値。
    Lower Bound 制約の下限。
    Upper Bound 制約の上限。
    Lagr Mult 関連する境界のラグランジュ乗数。
    Slack スラック(制約の値と上限/下限の近いほうとの差)。
  • 67行目にLPの最終的な目的関数値が出力されています。
  • 69行目に7回の反復を行ったことが示されています。
  • 71行目にエラーを検知せずに本関数 e04mf を終了したことを示しています。
  • 73〜81行目には以下が出力されています。
    Varbl 変数を示す "V"、インデックス。
    IState 変数の状態。"0" はFeasibility toleranceの範囲内にあるがもワーキングセットにはないことを意味します。"1" は不等式制約の下限がワーキングセットにあることを意味し、"2" は不等式制約の上限がワーキングセットにあることを意味します。
    Value 最後の反復での変数の値。
    Lagr Mult 関連する境界のラグランジュ乗数。
  • 84〜92行目には以下が出力されています。
    L Con 線形制約を示す "L"、インデックス。
    IState 線形制約の状態。"0" はFeasibility toleranceの範囲内にあるがワーキングセットにはないことを意味します。"1" は不等式制約の下限がワーキングセットにあることを意味し、"2" は不等式制約の上限がワーキングセットにあることを意味します。"3" は等しい値がワーキングセットにあることを意味します。
    Value 最後の反復での制約の値。
    Lagr Mult 関連する境界のラグランジュ乗数。
  • 95行目にLPの最終的な目的関数値が出力されています。
  • 98行目に7回の反復を行って終了したことが示されています。

ソースコード

(本関数の詳細はe04mf のマニュアルページを参照)

※本サンプルソースコードは .NET環境用の科学技術・統計計算ライブラリである「NAG Library for .NET」の関数を呼び出します。
サンプルのコンパイル及び実行方法


このソースコードをダウンロード
//      e04mf Example Program Text
//      C# version, NAG Copyright 2008
using System;
using NagLibrary;
using System.IO;
namespace NagDotNetExamples
{
  public class E04MFE
  {
    static bool defaultdata = true;
    static string datafile = "";
    // as a command line argument. It defaults to the named file specified below otherwise.
    //
    static void Main(String[] args)
    {
      if (args.Length == 1)
      {
        defaultdata = false;
        datafile = args[0];
      }
      StartExample();
    }
    public static void StartExample()
    {
      try
      {
        DataReader sr = null;
        if(defaultdata)
        { sr = new DataReader("exampledata/e04mfe.d");
      }
      else
      {
        sr = new DataReader(datafile);
      }
      double obj = 0.0;
      int i,  ifail,  iter,  j,  n,  nclin; 
      Console.WriteLine("e04mf Example Program Results");
      //      Skip heading in data file
      sr.Reset();
      sr.Reset();
      n = int.Parse(sr.Next());
      nclin = int.Parse(sr.Next());
      double[,] a = new double[nclin, n];
      double[] ax = new double[nclin];
      double[] bl = new double[n + nclin];
      double[] bu = new double[n + nclin];
      double[] clamda = new double[n + nclin];
      double[] cvec = new double[n];
      double[] x = new double[n];
      int[] istate = new int[n + nclin];
      //
      //         Read cvec, a, bl, bu and x from data file
      //
      sr.Reset();
      for (i = 1; i <= n; i++)
      {
        cvec[i - 1] = double.Parse(sr.Next());
      }
      sr.Reset();
      for (i = 1; i <= nclin; i++)
      {
        for (j = 1; j <= n; j++)
        {
          a[i - 1, j - 1] = double.Parse(sr.Next());
        }
      }
      sr.Reset();
      for (i = 1; i <= n + nclin; i++)
      {
        bl[i - 1] = double.Parse(sr.Next());
      }
      sr.Reset();
      for (i = 1; i <= n + nclin; i++)
      {
        bu[i - 1] = double.Parse(sr.Next());
      }
      sr.Reset();
      for (i = 1; i <= n; i++)
      {
        x[i - 1] = double.Parse(sr.Next());
      }
      //
      //         Initialise E04.e04mf and check for error exits
      //
      //
      E04.e04mfOptions options = new E04.e04mfOptions();
      //
      //            Solve the problem
      //
      options.Set("List");
      options.Set("Print level = 10");
      //
      E04.e04mf(n, nclin, a, bl, bu, cvec, istate, x, out iter, out obj, ax, clamda, options,
      out ifail);
      //
      Console.WriteLine("");
      if (ifail == 6)
      {
        Console.WriteLine("   ** An input parameter is invalid");
      }
      else if (ifail >= 0)
      {
        Console.WriteLine(" ** e04mf returned with ifail = {0, 3}", ifail);
        Console.WriteLine("");
        Console.WriteLine("  Varbl    Istate      Value                Lagr Mult");
        Console.WriteLine("");
        for (i = 1; i <= n; i++)
        {
          Console.WriteLine("  V  {0,3}  {1,3}    {2,14:g6}    {3,12:g4}", i, istate[i - 1], x[i - 1], clamda[i - 1]);
        }
        if (nclin > 0)
        {
          Console.WriteLine("");
          Console.WriteLine("");
          Console.WriteLine("  L Con    Istate      Value                Lagr Mult");
          Console.WriteLine("");
          for (i = n + 1; i <= n + nclin; i++)
          {
            j = i - n;
            Console.WriteLine("  L  {0,3}  {1,3}    {2,14:g6}    {3,12:g4}", j, istate[i - 1], ax[j - 1], clamda[i - 1]);
          }
        }
        Console.WriteLine("");
        Console.WriteLine("");
        Console.WriteLine("  Final objective value = {0,15:g7}", obj);
        Console.WriteLine("");
        Console.WriteLine("");
        Console.WriteLine("  Exit from problem after  {0,6}  iterations.", iter);
      }
      else
      {
        Console.WriteLine(" ** e04mf returned with ifail = {0, 3}", ifail);
      }
      //
    }
    catch (Exception e)
    {
      Console.WriteLine(e.Message);
      Console.WriteLine( "Exception Raised");
    }
  }
}
}


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