9
В 1975 году советский математик Л. В. Канторович и американский экономист Т. Купманс были удостоены Нобелевской премии.
Эти премии получили свое название в честь их учредителя — известного химикка и изобретателя Альфреда Нобеля. Согласно завершению Нобеля, они должны были присуждаться за научные открытия в области физики, химии, физологии или медицинны, за литературные произведения, «отражающие человечестве идеалы», а также тем, кто «внесет весомый вклад в сплошение народов, уничтожение работы, снижение численности существующих армей и соедейные мироной договоренности». Математик premия не предназначалась. Оdnako в 1969 году Шведский bank по служю 300-летия со дня своего образования учредил premio памяты А. Нобеля — по экономическим наукам. Она-то и была присуждана в 1975 году Л. В. Канторовичу и Т. Купмансу за создание новой математической теории (получшей навание линейного программирования) и применения этой теории к экономике.
В авторографии, представленной в Нобелевский комитет, Леонид Витальевич Канторович рассказывает о собственях, слушихся в 1939 году. К нему, 26-летнему профессору-математику, обращались за консультанцией сотрудники laboratorии фанерного треста, который нуждно было решить задачу о наиболее высоком распределении материалов между станками. Эта задача совпадла с нахождению максимума линейной функции, заданной на многограничке. Максимум такой функции достигается в вершине, однako число вершин в этой задаче достигало миллиарда… Поэтому простой перебор вершин не годился.
Леонид Витальевич писал:
«Оказалось, что эта задача не является случайной. Я обнаружил большое число разнообразных по содержанию задачи, имеющих аналогичный математический характер: налучше использование посевных плодадей, выбор загрузки оборудования, расположенный раскрой материала, использование сырья, распределение транспортиных грузопотоков… Это настоящую побудило меня к поиску эффективного метода их решения».
И уже летом 1939 года была сделана в набор книга Л. В. Канторовича «Matематические методы организации и планирования производства», в котором заключалась основания того, чтоbine назвается математической экономикой.
Для того чтобы понять математические задачи, в которых математика смогла оказать существенную помощь, начнем с примера — того самого, с которой начинает свою книгу Леонид Витальевич.
Пусть на произведение нужно изготовить набольшее число комплектов из двух деталей. Имеются станки трех типов I, II и III, данные о которых приведены в таблице.
«Естественное распределение», применявшееся на практике, состоит в том, что на каждой группе станков производили набольшее число комплектов. Станки первого типа могут произвести 20 комплектов (например, так: первый и второй станок производят по 10 первых деталей, а третий — 20 вторых) и не могут произвести больше. Аналогичный смысл имеет число 36 для станков второго типа: первый станок производит только
10
ко первые детали, второй — только вторые, а третий — 4/5 времен производит первый, а 1/5 времен — второй детали. Аналогично — и для станков третього типа.
Как видно из таблицы, оптимальное распределение дает сущеенную выгоду — 9 лишних комплектов! — не требуется никаких дополнительных затрат.
Для того чтобы найти далеко не оченьное оптимальное распределение, надо перевести задачу на язык математики. Итак, в нашем распоряжении имеется семь станков — первый, второй и третий станки образуют первый тип, четвертый, пятый и шестой — второй и, наконец, seventh — третий тип. Требуется указыть доли времени, в течение которых каждый станок должен выработать первый и второй деталь. Пусть — доля времени, в течение которого -ый станок будет выработать первый деталь, а — доля времени его работы над второй деталью. Тогда , , , . Число первых деталей, сделанных станками, будет равно
Аналогично, число вторых деталей равно
Число первых и вторых деталей должно быть одинаковым и как можно большем. Так мы приходим к задаче:
найти максимальное число такое, что
и подставим в выражение для . Получим
Теперь ясно, что самое большее значение суммы получится, когда
12
ках тоже имеет такой вид:
«Многогранник», заданный системой неравенств, изображен снимм цветом на рисунке 1 — он совпится к плоскому патиугольнику. Вершина, в которой функиция s достигает максимума, помещена красным.
Л. В. Канторович предложил несколько подходов к решению формулированной общей задачи. Один из них основан на идее двойственности. Чтобы понять ее, решим задачу о станках другим способом.
Снова обозначим через , — через и — через ; введем новые обозначения: , , . Сопоставим каждому набору , где все числа неотрицательны и связаны неравенствами
(1) точку плоскости с координатами , . (2)
Что же представляет собой множество всех точек, заданных соотношениями (1) и (2)? Это множество — сумма трех множеств: , образованного теми точками , для которых ; , состоящего из точек , для которых , ; , состоящего из точек , для которых . При этом, конечно, выполнен неравенства (1). Множества и — это треугольники, изображенные на рисунке 2.
Чтобы построить искомое множество , сначала найдем сумму и , т. е. множество точек с координатами
Для этого треугольник откладывается от верхней вершины треугольника , а затем «съезжает с горки», образованной гипотенузой . Получается четырехугольник, изображенный на рисунке 3.
Теперь можно построить и множество . Отложим треугольник от верхней вершины на рисунке 3 и даим ему «съезжает с горки», образованной двухзвенной ломаной. Получается пятуюугольник , изображенный на рисунке 4.
А что же требуется в задаче? Требуется найти такую точку , что во-первых, , а во-вторых, имеет наиболее значение. Эта точка лежит на пересечении биссектрисы и ломаной (см. рис. 4) и имеет координаты .
Как нам добавиться до точки ? Пойдем к ней с двух сторон. Сделаем шаг по отрезку из точки в точку . При этом поднимемся на 80 единиц. Это соответствует тому, что станок треугольного типа должен изготовить 80 вторых деталей. Далее сделаем шаг из точки в точку . При этом мы сдивимся вправо на 60 единиц. Это
13
соответствует тому, что станки второго типа должны работать лишь над первыми деталями и сделать их 60 штук.
А теперь мы движемся от к и от к . Это соответствует тому, что первый станки работают из общих трех единиц времени над первой деталью (и мы сдигаемся впраvo на ) и времени над второй деталью (и мы поднимаемся вверх на ). В итоге мы попадаем в точку .
Кстати, становится ясно, как надо поступать, если у нас не три, а типов станков. Тогда множество будет ограниченоломанной из звеньев, углы наклона которых будут упорядочены от нижней точки к верхней в порядке убывания. И снова надо идти от верхней и нижней точек навстречу друг другу. Все типы станков, кроме одного, будут обработать лишь одну деталь — «верхние» — первую, «низние» — вторую. И лишь на последнем участке одному типу станков придется «поделиться» — часть времени обработать первую, часть — вторую деталь.
В нашем втором решении главную роль играли прямы, на которых лежат звеньяломной KLMN. В самых общих чертах идея двойственности в том и состоит, что многогранник можно задавать набором его вершин, а можно — и как пересечение набора содержащих его полупространств.
Формализовав производенный задачу и указав некоторые решения, Л. В. Канторович увидел также замечательные перспективы в области экономики. Представьте себя на месте мастер, у которого в подчинении находится семь рабочих. Они работают на тех самых станках, с которых мы уже не раз встречались. Вы должны организовать производство так, чтобы изготовить как можно большие комплектов деталей.
Один путь — директивный. Мастер вызывает бригаду и строит головом распоряжается: «Ты, Петр, давай делай вторую деталь на станке третього типа; Иван, Николай и Александр — делайте первую деталь на станке первого типа» и так далее.
Но есть и другой путь, более деликатный. Вы можете вызывать бригаду и сказать так: «Ребята, нужно сделать на ваших станках детали двух видов. Первая стоит 2 рублей, а вторая — 1 рублей; за каждый комплект из деталей двух видов — премия по 10 копеек. Подумайте, как вам заработать побольшие».
Возможно, сначала рабочим в голову придет варант, называемый в нашей таблице «естественным распределением». При этом они заработают 238 рублей 70 копеек. Но потом они,
14
наверное, договорая, что есть и более выгодное — «оптимальное распределение».
Вопрос: Какую наиболее сумму может заработать бригада?
А откуда же взялись цены на детали? Посмотрите на рисунок 4. Прямая LM, на которой лежит оптимальная точка A, имеет уравнение 2a+b=260. Его коэффициенты 2 и 1 — это и есть цены. Если бы не премия за комплектность, то при ценах на детали в 2 и 1 рублей набольший заработок бригады отвецал бы любой из точек отрезка ML. А небольшая премия в 10 копеек делает наиболье выгодной именно точку A. Таково искусство правильного выбора цен!
Но вернемся в 1939 год. Говорят, что истина роздается ересью… Увы, так случайность и с идеями Л. В. Канторовича в области экономики. Они не встретили понятия в момент их зарождания, были объявлены ересью, и его работа была превращена.
Концепции Леонида Витальевича вскоре после конца войны были переоткрыты на Западе. Американский экономист T. Купманс в течение многих лет привлекал внимание математиков к ряду задач, связанных с военной тематикой. Он активно способствовал тому, чтобы был формирован математический коллектив для разработки этих проблем. В итоге было осознано, что надо научиться решать задачи о нахождения экстремумов линейных функций на многогранниках, задаваемых линейными неравенствами. По предложению Купманса этот раздел математики получил название линейного программирования.
Американский математик Д. Данцгг в 1947 году разработал весьма эффективный конкретный метод численного решения задач линейного программирования (он получил название сумплекс-метода). Идей линейного программирования в течение пяты-шести лет получили градинозное распространение в мире, и именно Купманса и Данцгг стали повсюду широкого известны.
Примерно в это время Купманс узнал, что еще до войны в далекой России уже было сделано нечто по-
хожее на разработку начал линейного программирования. Как легко было Данцгг и Купмансу проигнорировать эту информацию! Маленькая книжца, изданная ничтожным трахом, обращенная даже не к экономистам, а к организаторам производства, с минимумом математики, без четко описанных алгоритмов, без доказательных теorem — словом, стоит ли принять такую книжку во внимание… Но Купманс настоявает на переводе и издании на Западе книги Канторовича. Его имя и идеи становятся известными всем. Воздадим должное благородство американского ученого!
А самому Леониду Витальевич — как естественное было бы ему, испытав первыеrozные ударыретоградов, отречься от «грехов» своей молодости, забиты про всю эту экономику и вернуть к математике. Но Л. В. Канторович продолжает писать математические работы, наявные экономические идеями, участует и в конкретих разработках на производстве. При этом (одновременно с Данцггом, но не зная его работ) он разработывает метод, позже названный модифицированным симплеекс-методом. Как только в 50-е годы образуется маленький просвет и кое-что из запретного ранее становится возможным, он организует группу студентов на экономическом факультете ЛГУ для обучения методом оптимального планирования. А начинается 1960 года, Леонид Витальевич занимается только экономикой и связанным с него математическим проблемами. Его включает в эти области был отечелен Ленинской премией в 1965 году (присудена ему совместно с В. С. Немчиновым и В. В. Новожиловым) и, как уже говорилось, Нобелевской премией в 1975 году.