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===Cutting-plane method===
 
===Cutting-plane method===
 
Cutting plane method is an approach to the solution of integer linear programming problems.First of all we do not consider that variables <math> x_i </math> is an integer. But by adding linear constraints (so called cutting plane) the original feasible region will be cut.That part which was cut off contains only non-integer solution.Any integer feasible solution is kept in the ”modified” feasible region. This method is to point out how to find the right kinds of cutting planes (not necessarily only one to find), so that after cutting the feasible region finally we actually the get integer optimal solution. This method is proposed by R. E. Gomory, and it is also known as Gomory's cutting plane method.
 
Cutting plane method is an approach to the solution of integer linear programming problems.First of all we do not consider that variables <math> x_i </math> is an integer. But by adding linear constraints (so called cutting plane) the original feasible region will be cut.That part which was cut off contains only non-integer solution.Any integer feasible solution is kept in the ”modified” feasible region. This method is to point out how to find the right kinds of cutting planes (not necessarily only one to find), so that after cutting the feasible region finally we actually the get integer optimal solution. This method is proposed by R. E. Gomory, and it is also known as Gomory's cutting plane method.
  
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(1) Search of a continuous optimum with simplex method.
 
(1) Search of a continuous optimum with simplex method.
::if integer <math>Rightarrow</math> end, otherwise continue with (2).
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::if integer <math>\Rightarrow</math> end, otherwise continue with (2).
(2)
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(2) Insert Cutting Plane. Continue with (1).
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The step of inserting Cutting Plane:
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::We get from the optimal but non-integal tableau the equation <math>BV_i+\sum a_{ij}NBV_j = b_i</math> (<math>\ast</math>)
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::Seperate both <math>a_ij</math> and <math>b_i</math> into integer fraction <math>g</math> and the rest <math>f</math>:
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::Namely
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::::<math>a_{ij} = g_{ij} + f_{ij}</math> <math>\qquad</math>  (<math>0 \leq f_{ij} < 1</math>)
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::::<math>b_i = g_i + f_i</math>  <math>\qquad</math>  (<math>0 \leq f_i < 1</math>)
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::We rewrite the equation (<math>\ast</math>) to
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::::<math>BV_i+\sum g_{ij}NBV_j -g_i= f_i-\sum f_{ij}NBV_j</math>
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::By introducing a new slack variable we obtain a cutting plane:
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BV:  Basis variable
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g:  integer fraction
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|+ First optimal solution
 
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::<math>x_2 - \tfrac{1}{12} y_A + \tfrac{1}{12} y_B = \tfrac{9}{2}</math>
 
::<math>x_2 - \tfrac{1}{12} y_A + \tfrac{1}{12} y_B = \tfrac{9}{2}</math>
  
Each of these equations produces the same cutting plane.In this example we choose the first equation <math>x_1 + \tfrac{11}{36} y_A + \tfrac{1}{36} y_B = \tfrac{11}{2}</math>.
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We choose the first equation <math>x_1 + \tfrac{11}{36} y_A + \tfrac{1}{36} y_B = \tfrac{11}{2}</math>,which has the greatest fraction.
 
It can be written as following:
 
It can be written as following:
 
::<math>x_1 + \tfrac{11}{36} y_A + \tfrac{1}{36} y_B = 5+\tfrac{1}{2}</math>
 
::<math>x_1 + \tfrac{11}{36} y_A + \tfrac{1}{36} y_B = 5+\tfrac{1}{2}</math>
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Here we introduce a new slack variable <math>y_C</math>,so the equation will be writen:
 
Here we introduce a new slack variable <math>y_C</math>,so the equation will be writen:
 
::<math>y_C-\tfrac{11}{36} y_A - \tfrac{1}{36} y_B = -\tfrac{1}{2}</math>
 
::<math>y_C-\tfrac{11}{36} y_A - \tfrac{1}{36} y_B = -\tfrac{1}{2}</math>
 
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The first cutting plane with original variables: <math>y_C+x_1=5</math>
  
 
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|<math>y_C </math> || style="background:#fedcba" | <math> -\frac{11}{36} </math> || <math> -\frac{1}{36} </math> || <math> -\frac{1}{2} </math>
 
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The basic solution corresponding to this tableau is not feasible, since the right-hand
 
The basic solution corresponding to this tableau is not feasible, since the right-hand
side in the last row is negative. On the other hand, the coefficients in the first row
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side in the last row is negative. On the other hand, the coeffcients in the first row
are all non-negative— indicating dual-feasibility. So we use the dual simplex method
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are all non-negative — indicating dual-feasibility. So we use the dual simplex method
 
to solve the relaxation.We choose pivot element <math> -\frac{11}{36} </math> here.
 
to solve the relaxation.We choose pivot element <math> -\frac{11}{36} </math> here.
  
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We can introduce a new slack variable y_D and rewrite the cut as
 
We can introduce a new slack variable y_D and rewrite the cut as
 
::<math>y_D-\tfrac{8}{11} y_C - \tfrac{1}{11} y_B = -\tfrac{7}{11}</math>
 
::<math>y_D-\tfrac{8}{11} y_C - \tfrac{1}{11} y_B = -\tfrac{7}{11}</math>
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The second cutting plane with original variables: <math>y_D+x_1+x_2=9</math>
 
With this new variable and this new constraint, the simplex tableau becomes
 
With this new variable and this new constraint, the simplex tableau becomes
  
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|<math>y_D </math> || style="background:#fedcba" | <math> -\frac{8}{11} </math> || <math> -\frac{1}{11} </math> || <math> -\frac{7}{11} </math>
 
|<math>y_D </math> || style="background:#fedcba" | <math> -\frac{8}{11} </math> || <math> -\frac{1}{11} </math> || <math> -\frac{7}{11} </math>
 
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So we also use the dual simplex method to solve the relaxation.
 
So we also use the dual simplex method to solve the relaxation.
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We introduce a new slackness variable y_E and get a new constraint:
 
We introduce a new slackness variable y_E and get a new constraint:
 
::<math>y_E-\tfrac{5}{8} y_D - \tfrac{1}{8} y_B = -\tfrac{7}{8}</math>
 
::<math>y_E-\tfrac{5}{8} y_D - \tfrac{1}{8} y_B = -\tfrac{7}{8}</math>
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The third cutting plane with original variables: <math>y_E+x_1+2x_2=13</math>
 
The new simplex tableau is showed as following
 
The new simplex tableau is showed as following
  
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|<math>y_E </math> ||  <math> -\frac{5}{8} </math> || style="background:#fedcba" | <math> -\frac{1}{8} </math> || <math> -\frac{7}{8} </math>
 
|<math>y_E </math> ||  <math> -\frac{5}{8} </math> || style="background:#fedcba" | <math> -\frac{1}{8} </math> || <math> -\frac{7}{8} </math>
 
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Again use dual simplex method to solve it.Then we can obtain
 
Again use dual simplex method to solve it.Then we can obtain
  
 
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{| class="wikitable"  style="text-align:center"  
|+ Third optimal solution extended
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|+ Final tableau
 
|- style="height: 50px;"
 
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|  scope="col" width="50" | ||scope="col" width="50" | <math>y_D</math> || scope="col" width="50" |  <math>y_E</math> ||  scope="col" width="50" |
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This is optimal and integral. The solution of our IP is thus
 
This is optimal and integral. The solution of our IP is thus
 
::<math>x_1=5,x_2=4</math>
 
::<math>x_1=5,x_2=4</math>
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===Reference===
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[http://www.maths.bris.ac.uk/~mayt/MATH32500/2007/code/IP/gomoryExample.pdf An example of the gomory cutting plane algorithm]

Aktuelle Version vom 5. Juni 2013, 18:48 Uhr

Cutting-plane method

Cutting plane method is an approach to the solution of integer linear programming problems.First of all we do not consider that variables is an integer. But by adding linear constraints (so called cutting plane) the original feasible region will be cut.That part which was cut off contains only non-integer solution.Any integer feasible solution is kept in the ”modified” feasible region. This method is to point out how to find the right kinds of cutting planes (not necessarily only one to find), so that after cutting the feasible region finally we actually the get integer optimal solution. This method is proposed by R. E. Gomory, and it is also known as Gomory's cutting plane method.

Approach

(1) Search of a continuous optimum with simplex method.

if integer Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): \Rightarrow
end, otherwise continue with (2).

(2) Insert Cutting Plane. Continue with (1).

The step of inserting Cutting Plane:

We get from the optimal but non-integal tableau the equation Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): BV_i+\sum a_{ij}NBV_j = b_i
(Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): \ast

)

Seperate both and into integer fraction and the rest :
Namely
(Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): 0 \leq f_{ij} < 1

)

(Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): 0 \leq f_i < 1

)

We rewrite the equation (Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): \ast

) to

Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): BV_i+\sum g_{ij}NBV_j -g_i= f_i-\sum f_{ij}NBV_j
By introducing a new slack variable we obtain a cutting plane:
Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): BV_i'-\sum f_{ij}NBV_j -g_i= -f_i


BV:  Basis variable
NBV: Non basis variable
a,b: Coefficients from tableau
g:   integer fraction
f:   rest

Example

Consider the integer optimization problem

Maximize
Subject to
Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): 3x_1-x_2 \le 12
Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): 3x_1+11x_2 \le 66
Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): x_1,x_2 \geq 0
and  integer

Introduce slack variables to produce the standard form

Maximize Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): Z = 3x_1-x_2
Subject to
Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): y_A+3x_1-x_2 \le 12
Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): y_B+3x_1+11x_2 \le 66
Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): x_1,x_2 \geq 0
and  integer


Initial tableau
Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): -3 Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): -4
Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): -1

We use simplex method to get the optimal solution.(See "First optimal solution")

Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): -\frac{21}{11}


First optimal solution
Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): -\frac{1}{12}
Fehler beim Erstellen des Vorschaubildes: Die Miniaturansicht konnte nicht am vorgesehenen Ort gespeichert werden


From the tableau above we can get the following equations

Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): x_2 - \tfrac{1}{12} y_A + \tfrac{1}{12} y_B = \tfrac{9}{2}


We choose the first equation ,which has the greatest fraction. It can be written as following:

Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): \tfrac{11}{36} y_A + \tfrac{1}{36} y_B = \tfrac{1}{2} + (5-x_1)

Here we introduce a new slack variable ,so the equation will be writen:

Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): y_C-\tfrac{11}{36} y_A - \tfrac{1}{36} y_B = -\tfrac{1}{2}
The first cutting plane with original variables: 
First optimal solution extended
Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): -\frac{1}{12}
Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): -\frac{11}{36} Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): -\frac{1}{36} Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): -\frac{1}{2}
Fehler beim Erstellen des Vorschaubildes: Die Miniaturansicht konnte nicht am vorgesehenen Ort gespeichert werden

The basic solution corresponding to this tableau is not feasible, since the right-hand side in the last row is negative. On the other hand, the coeffcients in the first row are all non-negative — indicating dual-feasibility. So we use the dual simplex method to solve the relaxation.We choose pivot element Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): -\frac{11}{36}

here.
Second optimal solution
Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): -\frac{3}{11}
Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): -\frac{36}{11}

So we have found the solution ,namely and . This solution is non-integral, so we seek a cut. For this purpose, we choose a row of the optimal tableau with a non-integral right-hand side. For instance, the second row of the optimal tableau says:

Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): x_2-\tfrac{3}{11} y_C + \tfrac{1}{11} y_B = \tfrac{51}{11}

We can introduce a new slack variable y_D and rewrite the cut as

Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): y_D-\tfrac{8}{11} y_C - \tfrac{1}{11} y_B = -\tfrac{7}{11}
The second cutting plane with original variables: 

With this new variable and this new constraint, the simplex tableau becomes

Second optimal solution extended
Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): -\frac{3}{11}
Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): -\frac{36}{11}
Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): -\frac{8}{11} Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): -\frac{1}{11} Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): -\frac{7}{11}
Fehler beim Erstellen des Vorschaubildes: Die Miniaturansicht konnte nicht am vorgesehenen Ort gespeichert werden

So we also use the dual simplex method to solve the relaxation. Then we get

Third optimal solution
Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): -\frac{1}{8}
Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): -\frac{3}{8}
Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): -\frac{9}{2}
Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): -\frac{11}{8}

This is optimal, but not integral. For our next cut, we choose the third row:

Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): x_2-\tfrac{3}{8} y_D + \tfrac{1}{8} y_B = \tfrac{39}{8}

We introduce a new slackness variable y_E and get a new constraint:

Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): y_E-\tfrac{5}{8} y_D - \tfrac{1}{8} y_B = -\tfrac{7}{8}
The third cutting plane with original variables: 

The new simplex tableau is showed as following

Third optimal solution extended
Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): -\frac{1}{8}
Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): -\frac{3}{8}
Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): -\frac{9}{2}
Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): -\frac{11}{8}
Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): -\frac{5}{8} Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): -\frac{1}{8} Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): -\frac{7}{8}
Fehler beim Erstellen des Vorschaubildes: Die Miniaturansicht konnte nicht am vorgesehenen Ort gespeichert werden

Again use dual simplex method to solve it.Then we can obtain

Final tableau
Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): -1
Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): -1
Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): -7
Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): -2
Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): -8

This is optimal and integral. The solution of our IP is thus

Reference

An example of the gomory cutting plane algorithm