L'algoritmo del simplesso, sviluppato nel 1947 da Dantzig, è probabilmente l'algoritmo più noto per la risoluzione di problemi di Programmazione Lineare (PL).

Cerchiamo di sintetizzare i ragionamenti a monte e i passaggi fondamentali

Il problema

Consideriamo il problema di PL  in forma standard, dove le diseguaglianze sono già state convertite in eguaglianze con l'aggiunta di variabili di slack:

\(\begin{cases} \min {\bf c}^{T}{\bf x} \\ {\bf Ax=b \\ x \ge 0} \end{cases}\)

Il problema consta nella ricerca del minimo della funzione su un poliedro nell'iperspazio, del quale ogni punto \(\bf x\) può essere rappresentato come combinazione convessa dei suoi punti estremi e combinazione conica delle sue direzioni estreme, quindi

\({\bf x} = \sum_{j=1}^{k} \lambda_{j}{\bf x}_{j} + \sum_{j=1}^{l} \mu_{j}{\bf d}_{j}\) dove \(\lambda_j , \mu_j \ge 0\) e \(\sum_{j=1}^k \lambda_j = 1\)

Valore ottimo limitato e illimitato

Per quanto detto sopra, il problema potrebbe quindi essere trasformato nella ricerca dei valori di \(\lambda , \mu\) del seguente problema:

\(\begin{cases} \min \left[ \sum_{j=1}^k ({\bf c}^T{\bf x}_j)\lambda_j + \sum_{j=1}^l ({\bf c}^T{\bf d}_j)\mu_j \right] \\ \lambda_j, \mu_j \ge 0 \\ \sum_{j=1}^k \lambda_j =1\end{cases}\)

Si nota che, potendo essere gli \(\mu_j\) arbitrariamente grandi, è sufficiente anche un solo  \({\bf c}^T{\bf d}_j<0\) per rendere l'ottimo illimitato.

Vediamo quindi che condizione necessaria e sufficiente per avere un valore ottimo limitato del problema è che \({\bf c}^T{\bf d}_j \ge 0\) per ogni direzione estrema \({\bf d}_j\) , e di conseguenza andremo a scegliere tutti i \(\mu_j \) nulli.

In questo caso, vista la condizione\(\sum_{j=1}^k \lambda_j =1\)  risulta immediato che l'ottimo è indicato proprio dal minore dei \({\bf c}^T{\bf x}_j\) al quale assegneremo \(\lambda = 1 \) e zero a tutti gli altri.

In conclusione, se l'ottimo è finito, si trova proprio su uno dei punti estremi del poliedro.

Soluzione di base ammissibile

Il concetto di punto estremo è comunque un concetto geometrico. Abbiamo bisogno di ricavare questi punti in modo algebrico per poterli implementare in un algoritmo. Introduciamo. Consideriamo il sistema

\(\begin{cases} {\bf Ax=b \\ x \ge 0} \end{cases}\)

dove  \(\text{rank}({\bf A}_{(m \times n)},{\bf b}_{(m \times 1)})=\text{rank}({\bf A}_{(m \times n)})=m\)

A questo punto riorganizziamo le colonne di \(\bf A\)in modo che \(\bf A=\left[ B,N \right]\) dove \({\bf B}_{(m \times m)}\) è invertibile e \({\bf B}_{(m \times (n-m))}\)  .  Riorganizziamo di conseguenza il vettore delle incognite \({\bf x}=\begin{bmatrix} {\bf x}_B \\ {\bf x}_N \end{bmatrix}\). Abbiamo quindi:

\({\bf B}{\bf x}_B +{\bf N}{\bf x}_N={\bf b} \)   in virtù dell'invertibilità di B:

\({\bf B}^{-1}{\bf B}{\bf x}_B +{\bf B}^{-1}{\bf N}{\bf x}_N={\bf B}^{-1}{\bf b} \)  ,  e ponendo arbitrariamente \({\bf x}_N =0\)  abbiamo infine 

\({\bf x}_B ={\bf B}^{-1}{\bf b} \)  e \({\bf x}_N =0\) che definiamo soluzione di base. 

Se \({\bf x}_B \ge 0\) parliamo di soluzione di base ammissibile. 

In particolare se \({\bf x}_B > 0\)  parliamo di soluzione di base ammissibile non-degenere, mentre se esiste almeno una  componente di \({\bf x}_B\) nulla parliamo di soluzione di base ammissibile degenere.

Senza fornire una dimostrazione rigorosa, intuiamo che ad ogni punto estremo corrisponde una soluzione di base ammissibile e viceversa. Difatti, ogni punto estremo in \(\Bbb R^n\) è dato proprio dall'incrocio di n iperpiani, ricavabili dai m iperpiani di  \(\bf Ax=b\) , fissando come ulteriore condizione a zero (n-m) componenti di x per muoverci sul bordo del poliedro.

Il simplesso: teoria

Potremmo quindi pensare di verificare per ogni punto estremo (al massimo\(\binom{n}{m}\) tenendo conto delle soluzioni non ammissibili e dei punti estremi degeneri ai quali possono corrispondere più basi degeneri) il valore della nostra funzione obiettivo e individuare il minimo.

Ciò non è comunque computazionalmente accettabile al crescere delle variabili - e comunque non terrebbe in conto l'eventuale esistenza di aree / minimi illimitati.

Il metodo del simplesso ci consente di muoverci da un punto estremo all'altro in modo intelligente, rilevando anche eventuali situazioni di minimo illimitato od aree ammissibili nulle, svolgendo valutazioni locali senza dover testare tutti i punto estremi/soluzioni di base ammissibili.

Supponiamo di avere una soluzione di base ammissibile \(\begin{bmatrix} \bf B^{-1}b \\ \bf 0 \end{bmatrix}\) con corrispondente valore della funzione obiettivo \(z_0 \)

\(z_0 = \bf c \begin{bmatrix} \bf B^{-1}b \\ \bf 0 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \bf c_b & \bf c_n \end{bmatrix} \begin{bmatrix} \bf B^{-1}b \\ \bf 0 \end{bmatrix} = {\bf c}_B {\bf B}^{-1}b\)

E in quanto soluzione di base ammissibile abbiamo:

\(\bf Ax=b\)

\({\bf B} {\bf x}_B + {\bf N} {\bf x}_N = {\bf b}\)

\({\bf x}_B = {\bf B}^{-1}{\bf b} - {\bf B}^{-1} {\bf N} {\bf x}_N \)

\(\displaystyle {\bf x}_B = {\bf B}^{-1}{\bf b} - \sum_{j \in J}{\bf B}^{-1} {\bf a}_j {x}_j \)  dove a_j sono le colonne della attuale matrice fuori base N e x_j le rispettive variabili fuori base

\(\displaystyle {\bf x}_B = \overline{\bf b} - \sum_{j \in J}{\bf y}_j {x}_j \) dove  y_j=B^-1a_j  è un vettore colonna di dimensione m x 1 

Sostituiamo ora nella equazione di costo:

\(z = {\bf c}_B^T{\bf x}_B + {\bf c}_N^T{\bf x}_N \)

\(\displaystyle z={\bf c}_B^T( {\bf B}^{-1}{\bf b} - \sum_{j \in J}{\bf B}^{-1} {\bf a}_j {x}_j )+\sum_{j \in J} c_j x_j\)
\(\displaystyle z=z_0 - \sum_{j \in J} (z_j -c_j)x_j\)  dove abbiamo posto \(z_j={\bf c}_B^T{\bf B}^{-1} {\bf a}_j \) per ogni variabile fuori base.

Pertanto il nostro problema di PL, data la ns. soluzione di base ammissibile, può essere riscritto in funzione delle x_j fuori base come:

\(\begin{cases} \displaystyle \min z=z_0 - \sum_{j \in J} (z_j -c_j)x_j \\ \displaystyle \sum_{j \in J}{\bf y}_j {x}_j + {\bf x}_B = \overline{\bf b} \\ x_j \ge 0, j \in J \quad {\bf x}_B \ge 0 \end{cases}\)

A questo punto notiamo che x_B gioca un ruolo da variabile di slack e possiamo riscrivere in forma canonica il problema come:

\(\begin{cases} \displaystyle \min z=z_0 - \sum_{j \in J} (z_j -c_j)x_j \\ \displaystyle \sum_{j \in J}{\bf y}_j {x}_j \le \overline{\bf b} \\ x_j \ge 0, j \in J \end{cases}\)

Da qui si deduce la condizione di ottimalità della ns. soluzione, ovvero che \((z_j-c_j) \le 0 \ \ \ \forall \ j \in J\)

Se la ns. soluzione non è ottima, porremo a zero tutti gli \(x_j \) tranne  \(x_k\) al quale è associato il maggiore dei \((z_j - c_j)\) , assegnandogli il valore più grande possibile che rispetti il vincolo \({\bf y}_k x_k \le \overline{\bf b}\)  ovvero

\(\begin{bmatrix} y_{1k} \\ y_{2k} \\ \vdots \\ y_{mk} \end{bmatrix} x_k \le \begin{bmatrix} \overline{b_1} \\ \overline{b_2} \\ \vdots \\ \overline{b_m} \end{bmatrix} \) che per la singola componente risulta sempre verificata per valori di \(y_{ik} \le 0\)  , mentre per valori di \(y_{ik} > 0\)  la \(x_k\) potrà al massimo essere \(\frac{\overline{b_i}}{y_{ik}}\).  Quindi il valore massimo che assegneremo ad \(\displaystyle x_k = \frac{\overline{b_r}}{y_{rk}}=\min_{i}\left\{ \frac{\overline{b_i}}{y_{ik}} : y_{ik}>0 \right\}\)

Risulta evidente che se tutti gli \(y_{ik} \le 0\) ci troviamo di fronte ad un ottimo illimitato, in quanto diviene possibile associare ad \(x_k\) un valore arbitrariamente grande .

Se invece esiste almeno un  \( y_{ik}>0\) possiamo ricavare la nuova soluzione di base ammissibile da:

\(\displaystyle {\bf x}_B = \overline{\bf b} - \sum_{j \in J}{\bf y}_j {x}_j = \overline{\bf b} - {\bf y}_k \frac{\overline b_r}{y_{rk}}\)  , vettore nel quale vedremo azzerare la componente r-esima, che uscirà dalla base, mentre vi entrerà la componente k-esima prima fuori base con il valore \( \frac{\overline{b_r}}{y_{rk}}\) 

Il simplesso: step dell'algoritmo

Ricapitoliamo in step i passaggi visti nello sviluppo teorico:

1.  Partendo da una  soluzione di base di base ammissibile, ricavando \({\bf x}_B={\bf B}^{-1}{\bf b}={\overline{\bf b}} \quad , \quad {\bf x}_N=0 \quad , \quad z={\bf c}_B^T{\bf x}_B\)

2. Calcoliamo i costi per tutte le variabili fuori base  \(z_j-c_j={\bf c}_B^T {\bf B}^{-1}{\bf a}_j-c_j\) , se tutti costi sono minori o eguali a zero, abbiamo trovato un ottimo limitato e la soluzione del problema di PL.  Altrimenti proseguiamo scegliendo di introdurre in base la \(x_k = \max_{i \in J} (z_i-c_i) \)

3.  Calcoliamo \({\bf y}_k={\bf B}^{-1}{\bf a}_k\) e verifichiamo se \({\bf y}_k \le 0\) su ogni componente. In questo caso ci troveremmo di fronte a una soluzione ottima illimitata. Se almeno una componente di \({\bf y}_k \)è maggiore di zero proseguiamo:

4. La nuova componente potrà entrare in base con il valore \(x_k = \frac{\overline{b_r}}{y_{rk}}=\min_{i}\left\{ \frac{\overline{b_i}}{y_{ik}} : y_{ik}>0 \right\}\)  , mentra la precedente base sarà aggiornata come da formula \(\displaystyle {\bf x}_B = \overline{\bf b} - {\bf y}_k \frac{\overline b_r}{y_{rk}}\)  causando l'uscita della r-ma componente dalla base.

Si considera quindi l'ingresso in base della k-ma componente e l'uscita della r-ma componente e si riparte dal punto 1.