Introduction to Algorithms, Third Edition


Theorem 29.10 (Linear-programming duality)



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Introduction-to-algorithms-3rd-edition

Theorem 29.10 (Linear-programming duality)
Suppose that S
IMPLEX
returns values
N
x
D
.
N
x
1
;
N
x
2
; : : : ;
N
x
n
/
for the primal lin-
ear program
.A; b; c/
. Let
N
and
B
denote the nonbasic and basic variables for
the final slack form, let
c
0
denote the coefficients in the final slack form, and let
N
y
D
.
N
y
1
;
N
y
2
; : : : ;
N
y
m
/
be defined by equation (29.91). Then
N
x
is an optimal so-
lution to the primal linear program,
N
y
is an optimal solution to the dual linear
program, and
n
X
j
D
1
c
j
N
x
j
D
m
X
i
D
1
b
i
N
y
i
:
(29.92)
Proof
By Corollary 29.9, if we can find feasible solutions
N
x
and
N
y
that satisfy
equation (29.92), then
N
x
and
N
y
must be optimal primal and dual solutions. We
shall now show that the solutions
N
x
and
N
y
described in the statement of the theorem
satisfy equation (29.92).
Suppose that we run S
IMPLEX
on a primal linear program, as given in lines
(29.16)–(29.18). The algorithm proceeds through a series of slack forms until it
terminates with a final slack form with objective function
´
D
0
C
X
j
2
N
c
0
j
x
j
:
(29.93)
Since S
IMPLEX
terminated with a solution, by the condition in line 3 we know that
c
0
j
0
for all
j
2
N :
(29.94)


29.4
Duality
883
If we define
c
0
j
D
0
for all
j
2
B ;
(29.95)
we can rewrite equation (29.93) as
´
D
0
C
X
j
2
N
c
0
j
x
j
D
0
C
X
j
2
N
c
0
j
x
j
C
X
j
2
B
c
0
j
x
j
(because
c
0
j
D
0
if
j
2
B
)
D
0
C
n
C
m
X
j
D
1
c
0
j
x
j
(because
N
[
B
D f
1; 2; : : : ; n
C
m
g
) . (29.96)
For the basic solution
N
x
associated with this final slack form,
N
x
j
D
0
for all
j
2
N
,
and
´
D
0
. Since all slack forms are equivalent, if we evaluate the original objec-
tive function on
N
x
, we must obtain the same objective value:
n
X
j
D
1
c
j
N
x
j
D
0
C
n
C
m
X
j
D
1
c
0
j
N
x
j
(29.97)
D
0
C
X
j
2
N
c
0
j
N
x
j
C
X
j
2
B
c
0
j
N
x
j
D
0
C
X
j
2
N
.c
0
j
0/
C
X
j
2
B
.0
N
x
j
/
(29.98)
D
0
:
We shall now show that
N
y
, defined by equation (29.91), is feasible for the dual
linear program and that its objective value
P
m
i
D
1
b
i
N
y
i
equals
P
n
j
D
1
c
j
N
x
j
. Equa-
tion (29.97) says that the first and last slack forms, evaluated at
N
x
, are equal. More
generally, the equivalence of all slack forms implies that for
any
set of values
x
D
.x
1
; x
2
; : : : ; x
n
/
, we have
n
X
j
D
1
c
j
x
j
D
0
C
n
C
m
X
j
D
1
c
0
j
x
j
:
Therefore, for any particular set of values
N
x
D
.
N
x
1
;
N
x
2
; : : : ;
N
x
n
/
, we have


884
Chapter 29
Linear Programming
n
X
j
D
1
c
j
N
x
j
D
0
C
n
C
m
X
j
D
1
c
0
j
N
x
j
D
0
C
n
X
j
D
1
c
0
j
N
x
j
C
n
C
m
X
j
D
n
C
1
c
0
j
N
x
j
D
0
C
n
X
j
D
1
c
0
j
N
x
j
C
m
X
i
D
1
c
0
n
C
i
N
x
n
C
i
D
0
C
n
X
j
D
1
c
0
j
N
x
j
C
m
X
i
D
1
.
N
y
i
/
N
x
n
C
i
(by equations (29.91) and (29.95))
D
0
C
n
X
j
D
1
c
0
j
N
x
j
C
m
X
i
D
1
.
N
y
i
/
b
i
n
X
j
D
1
a
ij
N
x
j
!
(by equation (29.32))
D
0
C
n
X
j
D
1
c
0
j
N
x
j
m
X
i
D
1
b
i
N
y
i
C
m
X
i
D
1
n
X
j
D
1
.a
ij
N
x
j
/
N
y
i
D
0
C
n
X
j
D
1
c
0
j
N
x
j
m
X
i
D
1
b
i
N
y
i
C
n
X
j
D
1
m
X
i
D
1
.a
ij
N
y
i
/
N
x
j
D
0
m
X
i
D
1
b
i
N
y
i
!
C
n
X
j
D
1
c
0
j
C
m
X
i
D
1
a
ij
N
y
i
!
N
x
j
;
so that
n
X
j
D
1
c
j
N
x
j
D
0
m
X
i
D
1
b
i
N
y
i
!
C
n
X
j
D
1
c
0
j
C
m
X
i
D
1
a
ij
N
y
i
!
N
x
j
:
(29.99)
Applying Lemma 29.3 to equation (29.99), we obtain
0
m
X
i
D
1
b
i
N
y
i
D
0 ;
(29.100)
c
0
j
C
m
X
i
D
1
a
ij
N
y
i
D
c
j
for
j
D
1; 2; : : : ; n :
(29.101)
By equation (29.100), we have that
P
m
i
D
1
b
i
N
y
i
D
0
, and hence the objective value
of the dual
P
m
i
D
1
b
i
N
y
i
is equal to that of the primal (
0
). It remains to show


29.4
Duality
885
that the solution
N
y
is feasible for the dual problem. From inequalities (29.94) and
equations (29.95), we have that
c
0
j
0
for all
j
D
1; 2; : : : ; n
C
m
. Hence, for any
j
D
1; 2; : : : ; n
, equations (29.101) imply that
c
j
D
c
0
j
C
m
X
i
D
1
a
ij
N
y
i
m
X
i
D
1
a
ij
N
y
i
;
which satisfies the constraints (29.84) of the dual. Finally, since
c
0
j
0
for each
j
2
N
[
B
, when we set
N
y
according to equation (29.91), we have that each
N
y
i
0
,
and so the nonnegativity constraints are satisfied as well.
We have shown that, given a feasible linear program, if I
NITIALIZE
-S
IMPLEX
returns a feasible solution, and if S
IMPLEX
terminates without returning “un-
bounded,” then the solution returned is indeed an optimal solution. We have also
shown how to construct an optimal solution to the dual linear program.
Exercises
29.4-1
Formulate the dual of the linear program given in Exercise 29.3-5.
29.4-2
Suppose that we have a linear program that is not in standard form. We could
produce the dual by first converting it to standard form, and then taking the dual.
It would be more convenient, however, to be able to produce the dual directly.
Explain how we can directly take the dual of an arbitrary linear program.
29.4-3
Write down the dual of the maximum-flow linear program, as given in lines
(29.47)–(29.50) on page 860.
Explain how to interpret this formulation as a
minimum-cut problem.
29.4-4
Write down the dual of the minimum-cost-flow linear program, as given in lines
(29.51)–(29.52) on page 862. Explain how to interpret this problem in terms of
graphs and flows.
29.4-5
Show that the dual of the dual of a linear program is the primal linear program.


886
Chapter 29
Linear Programming
29.4-6
Which result from Chapter 26 can be interpreted as weak duality for the maximum-
flow problem?
29.5
The initial basic feasible solution
In this section, we first describe how to test whether a linear program is feasible,
and if it is, how to produce a slack form for which the basic solution is feasible.
We conclude by proving the fundamental theorem of linear programming, which
says that the S
IMPLEX
procedure always produces the correct result.
Finding an initial solution
In Section 29.3, we assumed that we had a procedure I
NITIALIZE
-S
IMPLEX
that
determines whether a linear program has any feasible solutions, and if it does, gives
a slack form for which the basic solution is feasible. We describe this procedure
here.
A linear program can be feasible, yet the initial basic solution might not be
feasible. Consider, for example, the following linear program:
maximize
2x
1
x
2
(29.102)
subject to
2x
1
x
2
2
(29.103)
x
1
5x
2
4
(29.104)
x
1
; x
2
0 :
(29.105)
If we were to convert this linear program to slack form, the basic solution would
set
x
1
D
0
and
x
2
D
0
. This solution violates constraint (29.104), and so it is not a
feasible solution. Thus, I
NITIALIZE
-S
IMPLEX
cannot just return the obvious slack
form. In order to determine whether a linear program has any feasible solutions,
we will formulate an
auxiliary linear program
. For this auxiliary linear program,
we can find (with a little work) a slack form for which the basic solution is feasible.
Furthermore, the solution of this auxiliary linear program determines whether the
initial linear program is feasible and if so, it provides a feasible solution with which
we can initialize S
IMPLEX
.
Lemma 29.11
Let
L
be a linear program in standard form, given as in (29.16)–(29.18). Let
x
0
be
a new variable, and let
L
aux
be the following linear program with
n
C
1
variables:


29.5
The initial basic feasible solution
887
maximize
x
0
(29.106)
subject to
n
X
j
D
1
a
ij
x
j
x
0
b
i
for
i
D
1; 2; : : : ; m ;
(29.107)
x
j
0
for
j
D
0; 1; : : : ; n :
(29.108)
Then
L
is feasible if and only if the optimal objective value of
L
aux
is
0
.
Proof
Suppose that
L
has a feasible solution
N
x
D
.
N
x
1
;
N
x
2
; : : : ;
N
x
n
/
. Then the
solution
N
x
0
D
0
combined with
N
x
is a feasible solution to
L
aux
with objective
value
0
. Since
x
0
0
is a constraint of
L
aux
and the objective function is to
maximize
x
0
, this solution must be optimal for
L
aux
.
Conversely, suppose that the optimal objective value of
L
aux
is
0
. Then
N
x
0
D
0
,
and the remaining solution values of
N
x
satisfy the constraints of
L
.
We now describe our strategy to find an initial basic feasible solution for a linear
program
L
in standard form:
I
NITIALIZE
-S
IMPLEX
.A; b; c/
1
let
k
be the index of the minimum
b
i
2

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o'zingizning asarlaringizni
Iltimos faqat
faqat o'zingizning
steierm rkischen
landesregierung fachabteilung
rkischen landesregierung
hamshira loyihasi
loyihasi mavsum
faolyatining oqibatlari
asosiy adabiyotlar
fakulteti ahborot
ahborot havfsizligi
havfsizligi kafedrasi
fanidan bo’yicha
fakulteti iqtisodiyot
boshqaruv fakulteti
chiqarishda boshqaruv
ishlab chiqarishda
iqtisodiyot fakultet
multiservis tarmoqlari
fanidan asosiy
Uzbek fanidan
mavzulari potok
asosidagi multiservis
'aliyyil a'ziym
billahil 'aliyyil
illaa billahil
quvvata illaa
falah' deganida
Kompyuter savodxonligi
bo’yicha mustaqil
'alal falah'
Hayya 'alal
'alas soloh
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