При выполнении оптимальной производственной программы второй и третий ресурсы используются полностью, т.е. образуют ²узкие места производства². Будем их заказывать дополнительно. Пусть T(t₁,t₂,t₃)- вектор дополнительных объемов ресурсов. Так как мы будем использовать найденные двойственные оценки ресурсов, то должно выполняться условие            H + Q^-1T
 0.

Задача состоит в том, чтобы найти вектор    T (0, t₂, t₃),  максимизирующий суммарный прирост прибыли             W = 8t₂ + 2t₃                                       (1)     при условии сохранения двойственных оценок ресурсов (и, следовательно, структуры производственной программы)

(2)

        
                                

предполагая,     что      можно       надеяться       получить      дополнительно не более 1/3 первоначального объема ресурса каждого вида                             
     
    
          (3)   

причем по смыслу задачи                                  t₂
 0,   t₃ 
 0.     (4)                                                                            

Переписав неравенства (2) и (3) в виде:

                                  
(5)

      из  условия (3) следует t2£148/3, t3£158/3   (6)

приходим к задаче ЛП: максимизировать (1) при условиях (5), (6) и (4).

Эту задачу легко решить графически: см. рис. 2. Программа ²расшивки² имеет вид

                           t₁=0, t₂=14, t₃=0  и прирост прибыли составит 112.

Сводка результатов приведена в  таблицe 2.

ТРАНСПОРТНАЯ ЗАДАЧА ЛИНЕЙНОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ

Однородный продукт, сосредоточенный в 3 пунктах производства (хранения) в количествах 40; 60; 70 единиц, необходимо распределить между 4 пунктами потребления, которым необходимо соответственно 36; 32; 40; 53 единиц. Стоимость перевозки единицы продукта из пункта отправления в пункт назначения известна для всех маршрутов и равна С =
  
   


. Необходимо составить план перевозок, при котором запросы всех пунктов потребления были бы удовлетворены за счет имеющихся продуктов в пунктах производства и общие транспортные расходы  по доставке продуктов были минимальными.

Для решения транспортной задачи чаще всего применяется метод потенциалов.

Общий объем производства åа_i =40+60+70=170 больше, чем требуется всем потребителям åb_i = 36+32 +40 +53 =161, т.е. имеем открытую модель транспортной задачи. Для превращения ее в закрытую вводим фиктивный пункт потребления с объемом потребления 170-161 = 9 единиц, причем тарифы на перевозку в этот пункт условимся считать равными нулю, помня, что переменные, добавляемые к левым частям неравенств для превращения их в уравнения, входят в функцию цели с нулевыми коэффициентами.

Первое базисное допустимое решение легко построить по правилу ²северо-западного угла².

Общая стоимость всех перевозок для первого базисного допустимого решения:

L= 36* 2 + 4 *3 + 28 *2 + 32 + 8* 7+ 53 =281

Один из потенциалов можно выбрать произвольно, так как в системе (3), (4) одно уравнение линейно зависит от остальных. Положим, что р₁ = 0. Остальные потенциалы находим из условия, что для базисных клеток
. В данном случае получаем

                  D₁₁ = 0,            p₁ + q₁ - c₁₁ = 0,          0+q₁ -2 = 0,     q₁ = 2

                  D₁₂ = 0,            p₁ + q₂ - c₁₂ = 0,          0+q₂ -3 = 0,     q₂ = 3

D₂₂ = 0,      p₂ + q₂ - c₂₂ = 0,          р₂ +3-2 = 0,     р₂ = -1

и т.д., получим: q₃=2, p₃=5, q₄= -4, q₅= -5.

Затем по формуле (6) вычисляем оценки всех свободных клеток:

                  D₂₁ =    p₂ + q₅ - c₂₁ = -1+2-4 = -3

                  D₃₁ =    p₃ + q₁ - c₃₁ = 5+2-2 = 5

                  D₃₂ = 1;  D₁₃ = -2;  D₁₄ = -5;  D₂₄ = 0;  D₁₅ = -5;  D₂₅ = -6.

Находим наибольшую положительную оценку  max (
) = 5 =

Для найденной свободной клетки 31 строим цикл пересчета - замкнутую ломаную линию, соседние звенья которой взаимно перпендикулярны, сами звенья параллельны строкам и столбцам таблицы, одна из вершин находится в данной свободной клетке, а все остальные - в занятых клетках. Это будет 31-11-12-22-23-33. Производим перераспределение поставок вдоль цикла пересчета

= 8

Получаем второе базисное допустимое решение:

Находим новые потенциалы, новые оценки.

D₁₃ = -2;  D₁₄ = 0;  D₁₅ = 0;  D₂₁ = -3;  D₂₄ = -2;  D₂₅ = -1; D₃₂ = -4;  D₃₃ = -5,

т.е. все D_ij £ 0       i = 1,m; j = 1,n

 Общая стоимость всех перевозок для второго базисного допустимого решения:

L= 28* 2 + 12 *3 + 20 *2 + 40 + 8* 2+ 53 =241 – минимальная стоимость.

ДИНАМИЧЕСКОЕ ПРОГРАММИРОВАНИЕ. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ КАПИТАЛЬНЫХ ВЛОЖЕНИЙ

Пусть производственное объединение состоит из четырех предприятий (n=4). Общая сумма капитальных вложений равна 700 тыс. рублей (b=700), выделяемые предприятиям суммы кратны 100 тыс. рублей. Значения функций fj(xj) приведены в таблице 1, где, например, число 50 означает, что если третье предприятие получит 600 тыс. руб. капитальных вложений, то прирост прибыли на этом предприятии составит 50 тыс. руб.                                                                                   Таблица I

Прежде всего заполняем табл. 2. Значения f2(x2) складываем со значениями F1(x - x2) = f1(x- x2) и на каждой северо-восточной диагонали находим наибольшее число, которое отмечаем звездочкой и указываем соответствующее значение  . Заполняем таблицу 3.

Продолжая процесс, табулируем функции F3(x),     (x)  и т.д. В табл. 6 заполняем только одну диагональ для значения x= 700.

Таблица 2

x - x2            0    100    200    300    400    500    600    700

x2   F1(x - x2)

f2(x2)             0      15      24      30      36      40      43      45

0

0        0      15      24      30      36      40      43      45

100            18           18*   33*     42*   48      54      58      61

200            26           26     41      50*    56      62      66

300            34           34     49      58*   64*    70*

400            39           39     54       63     69

500            42           42     57       66

600            44           44     59

700            46           46

Таблица 3

x        0     100     200     300     400     500     600     700

F2(x)              0       18       33       42       50       58       64       70

` (x)

     0         0     100     100     200     300     300     300

Таблица 4

      x - x3      0    100    200    300    400    500    600    700

x3   F2(x - x3)

f3(x3)             0     18       33      42      50      58      64      70

0

0        0     18*     33      42      50      58      64      70

100            16           16    34*     49*    58      66      74      80

200            27           27    45       60*    69      77      85

300            37           37     55      70*    79*    87*

400            44           44     62      77      86

500            48           48     66      81

600            50           50     68

700            56           56                                                                  

    Таблица 5

x        0     100     200     300     400     500     600     700

F3(x)              0       18       34       49       60       70       79      87

 (x)

     0        0     100     100     200      300     300     300

Таблица 6

x - x4            0    100    200    300    400    500    600    700

x4   F3(x - x4)

f4(x4)             0      18      34      49      60      70      79     87

0    0                                                                                87

100            10                                                                      89*

200            17                                                            87

300            23                                                    83

400            29                                         78

500            34                               68

600            38                     56

700            41           41                                                            .

Наибольшее число на этой диагонали:   Zmax = 89 тыс. руб.,

причем четвертому предприятию должно быть выделено   х*4  =  4 (700) = 100 тыс. руб.

На долю остальных трех предприятий остается 600 тыс. руб. Из табл. 5 видно, что третьему предприятию должно быть выделено      x*3 =  3 (700-x*4) =  3 (600) = 300 тыс. руб.

Продолжая обратный процесс, находим          x*2 =  2 (700 - x*4 - x*3) =  2 (300) = 100 тыс. руб.

На долю первого предприятия остается   x*1 = 700 - x*4 - x*3 - x*2 = 200 тыс. руб.

Таким образом, наилучшим является следующее распределение капитальных вложений по предприятиям:

x*1 =200; x*2 =100; x*3 = 300; x*4 = 100.

Оно обеспечивает производственному объединению наибольший воможный прирост прибыли 89 тыс. руб.

выполнение равенства:   f1(x*1) + f2(x*2) + f3(x*3) + f4(x*4) = z max

                                                                24+18+37+10=89

ДИНАМИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВОМ И  ЗАПАСАМИ

Рассмотрим трехэтапную систему управления запасами с дискретной продукцией и динамическим детерминированным спросом.

Пусть спрос (заявки) потребителей на нашу продукцию составляют: на первый этап d1=3 единицы, на второй –  d2=2, на третий -  d3=3 единицы. К началу первого этапа на складе имеется 3 единицы продукции, т.е. начальный уровень запаса равен y1=3. Затраты на хранение единицы продукции на разных этапах различны  и составляют соответственно h1=4, h2=3, h3=2. Затраты на производство xj единиц продукции на j-м этапе определяются функцией    jj(xj) = xj2 + 2xj + 2                                                                        

т.е. а=1; b=5; с=2. Требуется указать, сколько единиц продукции на отдельных этапах следует производить, чтобы заявки потребителей были удовлетворены, а наши общие затраты на производство и хранение за все три этапа были наименьшими.

Исходные данные задачи можно кратко записать одной строкой:

      d1        d2        d3                    a          b          c                      h1        h2        h3                    y1

      3          2          3                      1          2          2                      4          3          2                      3

Воспользовавшись рекуррентными соотношениями, последовательно вычисляем  F1 (x = y2),  F2 (x = y3), ...,  Fk (x = yk+1), ...   и  соответственно  находим        1 (x= y2),  2 (x = y3 ), ..., ` k (x = yk+1), ...

Положим k = 1.

Параметр состояния x = у2 может принимать целые значения на отрезке

0   у2   d2 + d3         0   y2   2 + 3    т.е.   у2 = 0, 1, 2, 3, 4, 5.

Каждому значению параметра состояния должна отвечать определенная область изменения переменной x1, характеризуемая условием 0   х1   d1 + у2 или 0   х1   3 + у2

Из балансового уравнения  х1 + у1 - d1 = у2  непосредственно следует, что объем производства связан со значением параметра состояния  x= у2 соотношением

                  x1 =  y2 + d1 - y1 = y2 + 3 - 3 = y2                                                   

В этом и состоит особенность первого этапа. Если задан уровень запаса к  началу первого этапа, то каждому значению у2 отвечает единственное значение х1 и потому  F1(x = y2) = W1 (x1, y2)     

Придавая у2 различные целые значения от 0 до 6 и учитывая предыдущее соотношение, находим

y2 = 0,       x1 = 0, W1 (0;0) = 02 + 2×0 + 2 + 4×0 = 2*

y2 = 1,       x1 = 1, W1 (1;1) = 12 + 2×2 + 2 + 4×1 = 11

y2 = 2,       x1 = 2, W1 (2;2) = 22 + 2×2 + 2 + 4×2 = 18

y2 = 3,       x1 = 3, W1 (3;3) = 32 + 2×3 + 2 + 4×3 = 29

y2 = 4,       x1 = 4, W1 (4;4) = 42 + 2×4 + 2 + 4×4 = 42

y2 = 5,       x1 = 5, W1 (5;5) = 52 + 2×5 + 2 + 4×5 = 57

Значения функции состояния F1(x ) представлены в табл. 1

                                                                                 Таблица 1

x = y2       0          1          2          3          4          5

F1 (x = y2)

2    11        18        29        42        57

x1(x=y2)   0          1          2          3          4          5

Переходим ко второму этапу. Полагаем k = 2 и табулируем функцию F2(x = y3) 

Здесь минимум берется по единственной переменной х2, которая может изменяться в пределах

0 £ x2 £ d2 + y3    или    0 £ x2 £ 2 + y3                                              (1)

где верхняя граница зависит от параметра состояния x = у3, который  принимает значения на отрезке

0 £ y3 £ d3 ,    т.е.   0 £ y3 £ 3                                                             

а аргумент у2 связан с х2 и у3 балансовым уравнением         x2 + y2 - d2 = y3   откуда следует    y2 = y3 + d2 - x2 = =y3 + 2 - x2     (2)

Придавая параметру состояния различные значения от 0 до 3, будем последовательно вычислять  W2 (x2, x), а затем определять F2(x ) и  2(x ).             

Положим x = у3 = 0. Тогда, согласно (1),   0 £ x2 £ 2, т.е. переменная х2 может принимать значения: 0, 1, 2, а каждому значению х2 отвечает определенное значение у2, вычисляемое по формуле (2): у2 = 2 - х2

Последовательно находим:

если    x2 = 0,   то  у2 = 2 ,                       W2 (0,2) = 02 + 2×0 + 2 +  F1(2) = 2 + 18 = 20,

x2  = 1,        y2 = 2 - 1 = 1,            W2 (1,2) = 12 + 5×1 + 2 +  F1(1) = 8 + 11 = 19,

x2 = 2,        y2 = 2 - 2 =0, W2 (2,2) = 22 + 5×2 + 2 +  F1(0) = 16 + 2 = 18*,

Наименьшее из полученных значений W2  есть F2 (0), т.е.

      F2 (x = y3 = 0) = 18,

причем минимум достигается при значении х2, равном  ` 2 (x = y3 = 0) = 2

Положим x = у3 = 1. Тогда, согласно (1),   0 £ x2 £ 3, т.е. переменная х2 может принимать значения: 0, 1, 2, 3, а каждому значению х2 отвечает определенное значение у2, вычисляемое по формуле (2): у2 = 3 - х2

Последовательно находим:

если    x2 = 0,  то   y2 = 3-0 = 3,  W2 (0,1) = 02 + 2×0 + 2 + 3×1 + F1(3) = 5 + 29 = 34,

x2  = 1,        y2 = 3-1 = 2, W2 (1,2) = 12 + 2×1 + 2 + 3×1 + F1(2) = 8 + 18 = 26,

x2 = 2,        y2 = 3-2 = 1,   W2 (2,1) = 22 + 2×2 + 2 + 3×1 + F1(1) = 13 +11 = 24,

x2  = 3,        y2 = 3-3 = 0, W2 (3,1) = 32 + 2×3 + 2 + 3×1 + F1(0) = 20 + 2 = 22*,

Наименьшее из полученных значений W2  есть F2 (1), т.е.

      F2 (x = y3 = 1) = min W2 (x2,1) = 22,

причем минимум достигается при значении х2, равном  ` 2 (x = y3 = 1) = 3

Положим x = у3 = 2. Тогда, согласно (1),   0 £ x2 £ 4, т.е. переменная х2 может принимать значения: 0, 1, 2, 3, 4, а каждому значению х2 отвечает определенное значение у2, вычисляемое по формуле (2): у2 = 4 - х2

если    x2 = 0,  то   y2 = 4-0 = 4,  W2 (0,2) = 02 + 2×0 + 2 + 3×2 + F1(4) = 8 + 42 = 50,

x2  = 1,        y2 = 4-1 = 3, W2 (1,2) = 12 + 2×1 + 2 + 3×2 + F1(3) = 11 + 29 = 40,

x2 = 2,        y2 = 4-2 =2,    W2 (2,2) = 22 + 2×2 + 2 + 3×2 + F1(2) = 16 + 18 = 34,

x2  = 3,        y2 = 4-3 = 1, W2 (3,2) = 32 + 2×3 + 2 + 3×2 + F1(1) = 23 + 11 = 34*,

x2 = 4,         y2 = 4-4 = 0, W2 (4,2) = 42 + 2×4 + 2 + 3×2 + F1(0) = 32 + 2 = 40.

Наименьшее из полученных значений W2  есть F2 (2), т.е.

      F2 (x = y3 = 2) = min W2 (x2,2) = min (64, 55, 50, 49, 52) = 49,

                                          x2

причем минимум достигается при значении х2, равном  ` 2 (x = y3 = 2) = 3

Положим x = у3 = 3. Тогда, согласно (1),   0 £ x2 £ 5, т.е. переменная х2 может принимать значения: 0, 1, 2, 3, 4, 5, а каждому значению х2 отвечает определенное значение у2, вычисляемое по формуле (2): у2 = 5 - х2

если    x2 = 0,  то   y2 = 5-0 = 5,  W2 (0,3) = 02 + 2×0 + 2 + 3×3 + F1(5) = 11 + 57 = 68,

x2  = 1,        y2 = 5-1 = 4, W2 (1,3) = 12 + 2×1 + 2 + 3×3 + F1(4) = 14 + 42 = 56,

x2 = 2,        y2 = 5-2 = 3,   W2 (2,3) = 22 + 2×2 + 2 + 3×3 + F1(3) = 19 + 29 = 48,

x2  = 3,        y2 = 5-3 = 2, W2 (3,3) = 32 + 2×3 + 2 + 3×3 + F1(2) = 26 + 18 = 44*,

x2 = 4,        y2 = 5-4 = 1,   W2 (4,3) = 42 + 2×4 + 2 + 3×3 + F1(1) = 35 + 11 = 46.

x2 = 5,        y2 = 5-4 = 0,   W2 (5,3) = 52 + 2×5 + 2 + 3×3 + F1(0) = 46 +  2 = 48.

Наименьшее из полученных значений W2  есть F2 (3), т.е.

      F2 (x = y3 = 3) = min W2 (x2,3) = 44,

причем минимум достигается при значении х2, равном  ` 2 (x = y3 = 3) = 3

Результаты табулирования функции F2 (x = y3)сведены в табл. 2.         

                                                                                                         Таблица 2

x= у3        0          1          2          3

F2 (x= y3) 18        22        34        44

 (x= y3)

2    3          2 или 3            3

Переходим к следующему этапу. Полагаем k=3 и табулируем функцию F3 (x = y4):

Вычисляем значение функции состояния только для одного значения аргумента x = у4 = 0, так как не хотим оставлять продукцию в запас в конце исследуемого периода.

0£y4£0;   x=y4;   0 £ x3 £ d3 + y4 → 0 £ x3 £ 3;   y3 = y4 + d3-x3= y4+3- x3;   

W3(x3, y4) = a  + bx3 + c + h3y4 + F2(y3)=  +2 x3+2 + 2 y4 + F2(y3)

x3=0                     y3=3                W3(0;0)=02 + 2×0 +2 +2×0 +F2(3)=2 +44=46

x3=1                     y3=2                W3(1;0)=12 + 2×1 +2+2×0 + F2(2)=5 +34=39

x3=2                     y3=1                W3(2;0)=22 + 2×2 +2+2×0 + F2(1)=10+22=32*

x3=3                     y3=0                W3(3;0)=32 + 2×3 +2+2×0 +F2(0)=17 +18=35

Получаем F3 (x = y4) = min W3 (x3,0) = 32,  причем минимум достигается при ` 3 (x = y4 = 0) = 2.

Таким образом, мы получили не только минимальные общие затраты на производство и хранение продукции, но и последнюю компоненту оптимального решения. Она равна   = 2.

Остальные компоненты оптимального решения найдем по обычным правилам метода динамического программирования. Чтобы найти предпоследнюю компоненту, учтем, что х3 + у3 - -d3 = y4 или 2 + у3 - 3 = 0, oткуда у3 = 1. Из   таблицы  (2) значений   находим      

Аналогично, продолжая двигаться в обратном направлении и учтя, что х2 + у2 - d2 = y3 или 3 + у2 - 2 = 1, получаем   у2 = 0; из таблицы (1) значений х1(x) находим   .

Итак, оптимальный план производства имеет вид х1 = 0, х2 = 3, х3 = 2, а минимальные общие

затраты составляют 32 единицы.

Полезна самопроверка полученного результата. Для этого по исходным данным и найденному

плану производства заполняем таблицу 5 и убеждаемся, что заявки потребителей на каждом

этапе выполняются         у1 + х1 ³ d1               у2 + х2 ³ d2               у3 + х3 ³ d3  

                                          3  + 0   ³ 3                  0  + 3   ³ 2                  1  + 2   ³ 3

и что суммарный объем производства и имевшегося к началу первого этапа запаса продукции равен суммарной потребности у1 + х1 + х2 + х3 = d1 + d2 + d3                     3  + 0  + 3  +  2  =  3 + 2   + 3

причем это достигается при наименьших возможных затратах на производство и хранение продукции

j(х1) + j(х2) + j(х3) + h1у2 + h2у3 = F3(y4=0)

                                2   +   17    +   10   +   0    +   3    =  32

Самопроверка результатов                                                                                                                                  

ЭТАПЫ    январь февраль           март    Итого за 3 месяца     

Имеем продукции к началу месяца, шт.            у1 = 3  у2 = 0  у3 = 1  у1 = 3 

Производим в течение месяца, шт.       х1 = 0  х2 = 3  х3 = 2  х1+ х2+ х3 = 5           

Отпускаем заказчикам, шт.         d1 = 3  d2 = 2  d3 = 3  d1+ d2+ d3 = 8          

Остаток к концу месяца (храним в течение текущего месяца), шт.    у2 = 0  у3 = 1  у4 = 0             

Затраты на производство, руб.  j(х1)=2           j(х2)=17         j(х3)=10         j(х1) + j(х2) + j(х3) = 29       

Затраты на хранение, руб.          h1у2 = 0          h2у3 = 3          0          h1у2 + h2у3 = 3          

МАТРИЧНАЯ МОДЕЛЬ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ  ПРОГРАММЫ ПРЕДПРИЯТИЯ

-     производственная программа

0*80+ 0,1*60 +0,2*70=20

0,4*80 +0*60 +0,1*70=39

0,2*80 +0,3*60 +0,2*70=48

где Y - объем товарной продукции.

где В – коэффициенты прямых затрат.

h11=4*0 +7*0,1+ 2*0,2=1,1

h21=2*0 +4*0,1+ 1*0,2=0,6        

h31=20*0 +13*0,1+ 16*0,2=4,5

h41=0,2*0+0,3*0,1+ 0,2*0,2=0,07

h12=4*0,4 +7*0+ 2*0,1=1,8

h22=2*0,4+4*0+ 1*0,1=0,9

h32=20*0,4+13*0+ 16*0,1=9,6

h42=0,2*0,4 +0,3*0+ 0,2*0,1=0,1

h13=4*0,2+7*0,3+ 2*0,2=3,3

h23=2*0,2+4*0,3+ 1*0,2=1,8

h33=20*0,2+13*0,3+ 16*0,2=11,1

h43=0,2*0,2+0,3*0,3+0,2*0,2=0,17

1,1*80 +1,8*60 +3,3*70=427

0,6*80 +0,9*60 +1,8*70=228

4,5*80 +9,6*60 +11,1*70=1713

0,07*80 +0,1*60 +0,17*70=23,5

где S – полные затраты всех внешних ресурсов.

МАТРИЧНАЯ ИГРА КАК МОДЕЛЬ КОНКУРЕНЦИИ  И СОТРУДНИЧЕСТВА

Седловой точки нет. Обозначим искомую оптимальную стратегию первого игрока (х, 1-х). Это вектор-столбец, который мы записываем для удобства в виде строки.

Обозначим nj(x) – средний выигрыш первого в расчете на партию, когда он использует стратегию (х, 1-х), а второй – j-ю стратегию. Имеем n1(x)=х + 2(1-х); n2(x)=2х +3(1-х); n3(x)=4х – 2(1-х); n4(x)=5х – 5(1-х). Возьмем на плоскости систему координат, по горизонтальной оси вправо отложим х, по вертикальной оси – значения функции nj(x). Функции n1(x), n2(x), n3(x), n4(x)- линейные, значит их графики – прямые линии 1, 2, 3, 4 соответственно.

Находим нижнюю огибающую огибающую семейства четырех прямых. Находим ее высшую точку - М. Она и дает решение игры. Ее координаты определяются решением уравнения n1(x)=n4(x), откуда х*=7/11, n=n1(x)=n4(x)=15/11.

Таким образом, оптимальная стратегия первого есть Р*=(7/11, 4/11), а цена игры n=15/11.

Заметим, что при этой стратегии первого второй игрок не выбирает второй и третий столбцы. Обозначим вероятность выбора вторым игроком первого столбца через y, а четвертого столбца – через (1- y). Учтем, например, что р1*=х*>0 и воспользуемся утверждением о том, что если рк*>0, то М(1; y*)=n, т.е. y* +2(1-y*)=15/11, откуда y*=7/11.

Окончательный ответ таков: оптимальная стратегия первого - Р*=(7/11, 4/11), оптимальная стратегия второго – Q=(7/11;0;0;4/11), цена игры n=15/11.

АНАЛИЗ ДОХОДНОСТИ И РИСКА ФИНАНСОВЫХ ОПЕРАЦИЙ

Финансовой называется операция, начальное и конечное состояния которой имеют денежную оценку и цель проведения которой заключается в максимизации дохода - разности между конечной и начальной оценками. Почти всегда финансовые операции проводятся в условиях неопределенности и потому их результат невозможно предсказать заранее. Поэтому финансовые операции рискованны, т.е. при их проведении возможны как прибыль так и убыток (или не очень большая прибыль по сравнению с той, на что надеялись проводившие эту операцию). Существует несколько разных способов оценки операции с точки зрения ее доходности и риска. Наиболее распространенным является представление дохода операции как случайной величины и оценка риска операции как среднего квадратического отклонения этого случайного дохода.

Даны четыре операции Q1, Q2, Q3, Q4. Найдите средние ожидаемые доходы   и риски ri операций. Нанесите точки ( , ri) на плоскость, найдите операции, оптимальные по Парето. С помощью взвешивающей формулы найдите лучшую и худшую операции. Взвешивающая формула одна и та же:

j(Q) = 2 - r.

Q1 :           2          4          6          18                   

                  1/2       1/4       1/8       1/8                  

Q2 :           0          4          6          12                   

                  1/4       1/4       1/3       1/6                  

Q3 :           2          5          8          14                   

                  ј           ј           1/3       1/6                  

Q4

:      0          1          2          8                     

                  1/3       1/3       1/6       1/6                  

Q1 =å qipi = 2*1/2+4*1/4+6*1/8+18*1/8=5

Q21 = 25

M [Q21] = 4*1/2+16*1/4+36*1/8+324*1/8=51;          

Q2 = 1+2+2=5

Q22 = 25

M [Q22] = 16*1/4+36*1/3+144*1/6=40;         

                                                                                                    Q

Q3 = 2+5=7

Q23 = 49

M [Q23] = 4*1/4+36*1/4+64*1/3+196*1/6=64;          

Q4 = 2

Q24 = 4

M [Q24] = 1*1/3+4*1/6+64*1/6=70/6;            

Нанесем средние ожидаемые доходы `Q и риски r на плоскость - доход откладываем по горизонтали, а риски по вертикали (см. рис.):

Получили 4 точки. Чем правее точка (`Q, r), тем более доходная операция, чем точка выше - тем более она рисковая. Значит, нужно выбирать точку правее и ниже. Точка (`Q¢, r¢) доминирует точку (`Q, r) если `Q¢ ³`Q и r¢ £  r.

Точка, не доминируемая никакой другой называется оптимальной по Парето, а множество всех таких точек называется множеством оптимальности по Парето. Легко видеть, что если из рассмотренных операций надо выбирать лучшую, то ее обязательно надо выбрать из операций, оптимальных по Парето.

Для нахождения лучшей операции иногда применяют подходящую взвешивающую формулу, которая для пар (`Q, r) дает одно число, по которому и определяют лучшую операцию. Например, пусть взвешивающая формула есть j (Q)= 2×Q - r . Тогда получаем:

j (Q1)= 2*5-5,1 = 4,9; j (Q2)= 2*5-3,9=6,1; j (Q3)= 2*7-3,9=10,1; j (Q4)= 2*2-2,8=1,2

Видно, что 3-я операция - лучшая, а 4-я - худшая.

ЗАДАЧА ФОРМИРОВАНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО ПОРТФЕЛЯ ЦЕННЫХ БУМАГ

Пусть   V  - матрица ковариаций рисковых видов ценных бумаг), M=(mi)  - вектор-столбец ожидаемых эффективностей долей xi капитала, вкладываемых в i-й  вид рисковых ценных бумаг, i=1,.., n. Пусть также  I - n-мерный вектор-столбец, компоненты которого есть 1. Тогда оптимальное значение долей  xi  есть    

                                            .

  Здесь  V-1 - матрица, обратная к  V . В числителе дроби стоит число, в знаменателе, если выполнить все действия (верхний индекс Т означает транспонирование вектора-столбца), тоже получится число, причем константа, определяемая рынком и не зависящая от инвестора,   V-1(M-m0I) - вектор-столбец размерности  n  . Видно, что этот вектор не зависит от эффективности портфеля  mp. Таким образом, вектор долей рисковых видов ценных бумаг пропорциональный этому вектору также не зависит от  mp. Следовательно, структура рисковой части портфеля не зависит от  mp. Однако сумма компонент вектора  X*  зависит от mp, именно, компоненты вектора X*  пропорционально увеличиваются с ростом  mp, поэтому доля  x0    безрисковых вложений будет при этом сокращаться.

Сформировать оптимальный портфель заданной эффективности из трех видов ценных бумаг: безрисковых эффективности 3 и некоррелированных рисковых ожидаемой эффективности 5  и  9 и рисками  3  и  6 . Как устроена рисковая часть оптимального портфеля?  При какой ожидаемой эффективности портфеля возникает необходимость в операции  "short sale" и с какими ценными бумагами? Решение.  Итак, m0 =3, M= , V= . Зададимся эффективностью портфеля  mp.

Теперь надо найти обратную матрицу к матрице  V . Это просто: V-1  =   .  Вычислим знаменатель:

 .

Итак, вектор долей рисковых бумаг есть X* =((mр-3)9/13)

Для безрисковых бумаг соответственно равняется x*0  =1- 4/26(mр-3) – 3/26(mр-3)=42-7mр/26.

Понятно, что необходимость в операции  "short sale"  возникнет, если  x*0 < 0, т.е. когда  mр > 6 .

ЛИТЕРАТУРА

1.   Математические методы принятия решений в экономике. Учебник под ред. проф. Колемаева В.А. -М.: ЗАО "Финстатинформ", 1999.

2.   Колемаев В.А., Калинина В.Н.  Теория вероятностей и математическая статистика. -М.: Инфра-М, 1999.

3.   Гатауллин Т.М., Карандаев И.С., Статкус А.В.  Целочисленное программирование в управлении производством. МИУ, М., 1987.

4.   Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. -М.: Высшая школа, 1998.

5.   Гмурман В.Е. Руководство к решению задач по теории вероятностей и математической статистике. -М.: Высшая школа, 1998.

6.   Ермольев Ю.М., Ляшко И.И., Михалевич В.С., Тюптя В.И.  Математические методы исследования операций. -Киев: Вища школа, 1979.

7.   Ершов А.Т., Карандаев И.С., Шананин Н.А.  Планирование производства и линейное программирование. МИУ, М., 1981.

8.   Ершов А.Т., Карандаев И.С., Статкус А.В.  Матричные игры и графы. МИУ, М., 1986.

9.   Ершов А.Т., Карандаев И.С., Юнисов Х.Х.  Исследование операций. МИУ, М., 1990.

10.             Калинина В.Н., Панкин В.Ф.  Математическая статистика. -М.: Высшая          школа, 1998.

11.             Карандаев И.С.  Двойственные оценки в управлении. МИУ, М.,  1980.

12.             Карандаев И.С.  Решение двойственных задач в оптимальном планировании. -М.: Статистика, 1976.

13.             Карандаев И.С.  Начала линейного, нелинейного и динамического программирования. -М.: Знание, 1968.

14.             Карандаев И.С.  Руководство к решению задач по математическому программированию. МИУ, М.,  1973.

15.             Карандаев И.С., Гатауллин Т.М.  Математический аппарат линейных оптимизационных задач в управлении производством. МИУ, М., 1986.

16.             Карандаев И.С. и др.  Математические методы исследования операций в примерах и задачах. ГАУ, М.,1993.

17.             Колемаев В.А.  Математическая экономика. -М.: Инфра-М, 1998.

18.             Малыхин В.И. Математика в экономике. -М: Инфра-М, 1999.

19.             Малыхин В.И. Математическое моделирование экономики. -М: УРАО, 1998.

20.             Малыхин В.И. Финансовая математика. -М: Юнити, 1999.

21.             Малыхин В.И., Статкус А.В. Теория принятия решений. МИУ, М., 1989.

22.             Нейман Д., Моргенштерн О. Теория игр и экономическое поведение. -М.: Наука, 1970.

23.             Первозванский А.А., Первозванская Т.Н.   Финансовый рынок: расчеты и риск. -М.: Инфра -М., 1994.

24.             Сакович В.А.  Исследование операций. -Минск: Высшая школа, 1985.

25.             Солодовников А.С., Бабайцев В.А., Браилов А.В.  Математика в экономике. –М.: Финансы и статистика, 1998.

26.             Таха Х. Введение в исследование операций. –М.: Мир, 1985.