形式陈述
把整数约束暂时去掉,线性规划可能给出分数解。什么时候这种放松完全不损失整数问题的最优值?答案首先是一个关于可行域的几何性质。
设 是有理多面体公理库多面体与多胞形Polyhedron · Polytope分别由有限线性不等式交与有限点凸包描述,并由 Minkowski–Weyl 定理连接的凸几何对象。,即可以用有限组有理系数线性不等式描述。定义它的整数包为
这里取的是所有可行整数点的凸包公理库凸包Convex hull包含给定点集的最小凸集,是凸几何中的基本包络对象,并可进一步研究其算法构造。,不是把每个坐标四舍五入后的集合。若没有可行整数点,约定 。有理多面体的整数包仍是有理多面体;当 时,称 为整数多面体,也把空多面体算作整数多面体。
非空有理多面体 的整数性等价于:对每个具有有限最优值的线性目标 ,都存在一个可行整数点达到这个最优值。它还等价于每个非空面、或仅每个极小非空面中都有整数点。
若 是非空、无直线的有理多面体,也就是 pointed 多面体,这个条件简化为“所有顶点都是整数点”。有界多胞形自然满足无直线条件。含整条直线的多面体可能根本没有顶点,此时不能把“没有分数顶点”当作整数性证明。
直觉
整数包把可行整数方案保留下来,再填入它们之间的凸组合。线性目标在一个凸组合上的值,是各整数方案目标值的加权平均,不会超过其中最好的方案。因此在线性优化看来,整数点集合与其凸包有相同的最优值。
原松弛 若比整数包更大,就可能有某个目标方向把那一块多出来的分数区域暴露出来。整数性要求对所有目标方向都没有这样的漏洞,比“这次恰好求到整数解”强得多。
在有界情形,顶点判据十分直接。多胞形是其顶点的凸包;若顶点全是整数点,整个多胞形就在整数包内。反过来,一个分数顶点不可能是可行整数点的非平凡凸组合,否则就不是极点。无界但 pointed 的有理多面体还含衰退射线;这些射线可选整数方向,沿整数步长之间插值,仍能用整数点的凸组合填满。几何中的“无界”本身不是障碍,遗漏直线部分才是顶点判据失效的原因。
松弛、整数包与无顶点边界
例子与边界
同一个可行域,不同目标揭示不同问题
令
它的顶点为 。非负整数点必须满足 ,故恰有
它们的凸包为单位正方形 ,严格小于 。最大化 时,LP 给 ,整数最优为 ,直接看出损失。但最大化 时,两者都在 达到 。后一目标没有间隙,并不能证明整个松弛整数。
再看已经整数的单位正方形,最大化 的最优面是右边整条线段。 也是 LP 最优解,只是存在同优的整数端点 。所以“整数多面体”不意味着其中没有分数点,也不意味着任意求解器返回的最优点都自动整数;通常需要取得最优顶点,或在最优面内继续寻找整数解。
没有顶点时,空泛判断会出错
集合
是一条有理仿射直线,没有顶点,也没有整数点。于是 。若只检查“所有顶点整数”,得到的真命题只是空集上的全称命题,对实际整数可行性毫无保证。
相对地,直线 是整数多面体:任意 都位于相邻两个整点 、 的线段上。两条直线都没有顶点,但其极小非空面就是整条直线;“极小面包含整数点”的判据能区分它们。
推论与应用
整数目标值也能检测整数性
对有理多面体,还有一个常用等价判据:每个整数系数目标 ,只要最大值有限,该最大值就是整数。整数多面体显然具有这个性质,因为可以用整数最优点计算目标。
为什么反向有力量?在 pointed 情形,若顶点 的第 个坐标不是整数,选一个整数目标 ,使 是唯一最优顶点。把 放大足够多后, 与 仍在同一个顶点的法向锥内部,仍由 最优。两最优值之差恰为 ,不可能两者都是整数。这说明分数顶点总能被适当的整数目标检出,而不一定被手边第一个目标检出。一般含直线情形可用极小面及其有理仿射空间作对应论证。
线性规划公理库线性规划Linear programming · LP在线性等式和不等式约束下优化线性目标函数的问题。因此能直接处理某些看似离散的问题,前提是已有整数性定理。全幺模性公理库全幺模矩阵与整数顶点Totally unimodular matrix · Total unimodularity · TU用所有方形子式的 0、±1 性质控制逆矩阵分母,证明整数右端的线性约束产生整数顶点。从约束矩阵出发,对所有整数右端给出保证;全对偶整数性公理库全对偶整数性Total dual integrality · TDI要求每个整数目标都有整数的最优对偶证书,说明这一性质为何依赖不等式表示,以及整数右端如何传递原问题整数性。则从整数对偶证书出发,对特定不等式系统给出保证。
整数性间隙公理库整数性间隙Integrality gap衡量整数最优值与其松弛最优值在最坏实例上的比值。衡量某个目标或某个实例族的松弛损失;整数多面体描述的是整个集合与全部线性目标的精确关系。向 加有效不等式时,理想目标是逐步接近 ,但整数包可能需要很多面来描述,不能把它的存在当作一份已经高效可得的表示。
参考资料
- Karthik Chandrasekaran, IE 511, Lecture 9, Spring 2021, §9.2, “Characterization of integral polyhedra”:官方讲义。整数包、面判据与整数最优解的等价性。
- EPFL Discrete Optimization, “Polyhedra”, “Integral polyhedra”, Theorem 9:官方课程资料。整数目标值判据与微扰目标证明。
- Gérard Cornuéjols and Yanjun Li, “When the Gomory–Chvátal Closure Coincides with the Integer Hull”, introduction:作者稿。有理整数包与闭包的几何背景。