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数学知识体系

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⌕2026/8/31
概念

分支定界

通过线性松弛给出界,再对非整数变量分支并剪去不可能更优的子树,系统搜索整数最优解,是商用求解器的核心框架。

所属主题:运筹学 ↗
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当前概念

分支定界运筹学

01定义

分支定界是整数规划的精确搜索框架:对子问题求解线性松弛得到下界,界不够好则按非整数变量分支为两个子问题,界劣于已知可行解则剪枝——系统枚举与聪明剪枝的结合,是商用求解器的核心。
松弛 z=4.5 x≤2 x≥3 z=3.8 不可行 ✕ 整数解 z=3 ✓ 界 3.2 < 3 ✕ 劣界剪枝 分支 = 加约束二分,定界 = 松弛值 vs 当前最好整数解 节点数随问题剧增 ⇒ 常与割平面混合(分支切割)
分支定界树:剪枝让指数枚举变得可行

02核心要点

01

界的质量决定一切

松弛越紧、分支树越小:同一个问题,松弛界差 1% 可能意味着节点数差百倍。启发式先找好的初始可行解(上界)同样关键——上下界夹逼终止搜索。

02

分支策略

选哪个变量分支:分数性最强的、伪成本估计影响最大的;强分支(strong branching)试算多个候选再选——现代求解器混合多种规则动态选择。

03

分支切割

在每个节点先加割平面收紧松弛再分支:分支定界 + 割平面 = 分支切割(Branch & Cut),TSP 百万城市、航班排班等大规模实例的标准武器。

03关键公式

zLP≤zIP,zLP≥z∗⇒剪枝,xj∉Z⇒{xj≤⌊xj⌋}∪{xj≥⌈xj⌉}z_{LP}\leq z_{IP},\quad z_{LP}\geq z^{*}\Rightarrow\text{剪枝},\quad x_j\notin\mathbb{Z}\Rightarrow\{x_j\leq\lfloor x_j\rfloor\}\cup\{x_j\geq\lceil x_j\rceil\}

04历史沿革

兰德与道伊奇 1960 年提出分支定界框架;巴林斯基与诺曼的隐枚举思想并行发展;1990 年代与割平面结合后成为商用求解器(CPLEX、Gurobi)的标准架构。

05应用与延伸

车辆路径与航班排班、工厂选址与网络设计、组合拍卖的赢者确定、机器学习中的最优决策树(整数规划形式)。

06交互演示

分支定界:整数规划的搜索树松弛 LP 给出上界;分数解处分支,界差超过当前最优则剪枝

07相关概念