アイドルメンバー 最適化 PuLP

アイドルメンバー 最適化

アイドルに関する最適化問題の一つとして、「アイドルグループのメンバーの選択」という問題を考えてみましょう。

例えば、あるアイドルグループには10人の候補メンバーがいて、その中から5人を選ぶとします。

各メンバーには以下の要素があります。

🔹ポテンシャル
 メンバーのスキルや人気度を表す数値。高いほど良い。
🔹バランス
 グループ全体のバランスを考慮した数値。均等に配分された方が良い。

解法

この問題をPuLPを使用して解いてみましょう。

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from pulp import *

# 問題の定義
problem = LpProblem("アイドルメンバー選択", LpMaximize)

# 変数の定義
members = ['メンバー1', 'メンバー2', 'メンバー3', 'メンバー4', 'メンバー5', 'メンバー6', 'メンバー7', 'メンバー8', 'メンバー9', 'メンバー10']
selected = LpVariable.dicts('選択', members, 0, 1, LpBinary)

# メンバーのポテンシャルとバランスの値を追加で定義
potential = {'メンバー1': 0.8, 'メンバー2': 0.7, 'メンバー3': 0.9, 'メンバー4': 0.6, 'メンバー5': 0.8, 'メンバー6': 0.9, 'メンバー7': 0.7, 'メンバー8': 0.8, 'メンバー9': 0.6, 'メンバー10': 0.7}
balance = {'メンバー1': 0.4, 'メンバー2': 0.6, 'メンバー3': 0.5, 'メンバー4': 0.7, 'メンバー5': 0.6, 'メンバー6': 0.8, 'メンバー7': 0.7, 'メンバー8': 0.5, 'メンバー9': 0.6, 'メンバー10': 0.7}

# 目的関数の定義
problem += lpSum(selected[member] for member in members)

# 制約条件の定義
problem += lpSum(selected[member] for member in members) == 5 # 5人を選ぶ
problem += lpSum(selected[member] * potential[member] for member in members) >= 0.7 # ポテンシャルの合計が0.7以上
problem += lpSum(selected[member] * balance[member] for member in members) >= 0.5 # バランスの合計が0.5以上

# 問題の解決
problem.solve()

# 結果の表示
print("選択されたメンバー:")
for member in members:
if selected[member].varValue == 1:
print(member)

変数selectedは各メンバーの選択状態を表し、0または1のバイナリ値をとります。

目的関数は選択されたメンバーの数の合計を最大化するように設定されています。

また、制約条件として、選択されるメンバー数が5人であること、ポテンシャルの合計が0.7以上であること、バランスの合計が0.5以上であることを指定しています。


最適化問題を解いた後、選択されたメンバーの最適化問題を解いた後、選択されたメンバーの結果を表示します。

上記のコードでは、選択されたメンバーのselected[member]の値が1である場合、そのメンバーが選択されたことを示します。

結果

コードを実行すると、次のような結果が表示されます。

[実行結果]
選択されたメンバー:
メンバー2
メンバー3
メンバー5
メンバー7
メンバー10

メンバー2、メンバー3、メンバー5、メンバー7、メンバー10が最適解として選ばれました。

難民問題 最適化 PuLP

難民問題 最適化

難民問題に関する最適化問題の一つとして、「難民の再定住問題」を考えてみましょう。

この問題では、複数の難民を異なる再定住先に割り当てることで、与えられた制約条件下で最大の幸福度を達成するようにします。

具体的な問題設定として、以下のような仮定をします。

🔹再定住先は複数あり、それぞれには定員が設定されています。
🔹難民は異なる幸福度を持ち、再定住先によって幸福度が異なります。
🔹各再定住先の定員は超えてはなりません。
🔹各難民は1つの再定住先にのみ割り当てられます。

解法

この問題をPuLPを使って解くためには、以下の手順に従います。

①問題の変数を定義します。

 ここでは、再定住先への割り当てを表すバイナリ変数を使用します。
 例えば、x[i, j]は難民iが再定住先jに割り当てられる場合に1となります。

②問題の目的関数を定義します。

 目的は、難民の幸福度の合計を最大化することです。

③制約条件を定義します。

 再定住先の定員制約や、難民が1つの再定住先にのみ割り当てられるという条件を設定します。

④PuLPを使用して問題を解きます。

ソースコード

以下に、PuLPを使用した難民の再定住問題の最適化コードの例を示します。

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from pulp import *

# 難民と再定住先のデータ
refugees = {
'Refugee1': {'happiness': 5},
'Refugee2': {'happiness': 8},
'Refugee3': {'happiness': 3}
}

resettlement = {
'Resettlement1': {'capacity': 2},
'Resettlement2': {'capacity': 1}
}

# 問題の定義
problem = LpProblem("Refugee Resettlement Problem", LpMaximize)

# 問題の変数
x = LpVariable.dicts("RefugeeResettlement",
[(r, s) for r in refugees for s in resettlement],
cat='Binary')

# 目的関数
problem += lpSum(refugees[r]['happiness'] * x[r, s] for r in refugees for s in resettlement)

# 制約条件
for r in refugees:
problem += lpSum(x[r, s] for s in resettlement) == 1 # 難民は1つの再定住先にのみ割り当てられる

for s in resettlement:
problem += lpSum(x[r, s] for r in refugees) <= resettlement[s]['capacity'] # 再定住先の定員制約

# 問題を解く
problem.solve()

# 結果を表示
print("最適化結果:")
for r in refugees:
for s in resettlement:
if value(x[r, s]) == 1:
print(f"{r}{s} に再定住")

# 目的関数の値(難民の幸福度の合計)を表示
print("目的関数の値:", value(problem.objective))

このコードでは、難民と再定住先のデータを辞書として定義し、それぞれの幸福度や定員を設定しています。

問題の定義、変数の定義、目的関数の定義、制約条件の定義を行った後、PuLPのsolve()関数を呼び出して問題を解きます。

解が見つかった場合、割り当て結果目的関数の値(難民の幸福度の合計)が表示されます。


このコードを実行すると次のような結果になります。

[実行結果]
最適化結果:
Refugee1 を Resettlement1 に再定住
Refugee2 を Resettlement1 に再定住
Refugee3 を Resettlement2 に再定住
目的関数の値: 16.0

この結果では、難民1は再定住先1に、難民2は再定住先1に、難民3は再定住先2に再定住することが最適解となり、目的関数の値(難民の幸福度の合計)は16となっています。

原子力発電 最適化 PuLP

原子力発電 最適化

原子力発電に関する最適化問題の一例を挙げ、PuLPを使用して解く方法を示します。

この例では、特定の原子力発電所の燃料供給を最適化する問題を考えます。

問題設定:

🔹原子力発電所は1つあり、1か月(30日)の期間で運転します。
🔹燃料はウラン(Uranium)とプルトニウム(Pu)の2種類があり、各日における燃料の消費量を最適化します。
🔹ウランの価格は1キログラムあたり500ドル、プルトニウムの価格は1キログラムあたり1000ドルです。
🔹各日における燃料消費量は最低制約と最大制約があり、最低制約はウラン500キログラム、プルトニウム100キログラム、最大制約はウラン1500キログラム、プルトニウム300キログラムです。
🔹目的は燃料の総コストを最小化することです。

解法

PuLPを使った最適化問題の解法は以下のようになります。

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from pulp import *

# 問題の定義
problem = LpProblem("Nuclear Power Plant Fuel Optimization", LpMinimize)

# 変数の定義
uranium = LpVariable("Uranium", lowBound=500, upBound=1500)
plutonium = LpVariable("Plutonium", lowBound=100, upBound=300)

# 目的関数の定義
cost = 500 * uranium + 1000 * plutonium
problem += cost

# 制約条件の定義
problem += uranium + plutonium >= 600 # ウラン+プルトニウムの合計の最低制約
problem += uranium + plutonium <= 1800 # ウラン+プルトニウムの合計の最大制約

# 問題の解決
problem.solve()

# 結果の表示
print("Optimization Status:", LpStatus[problem.status])
print("Optimal Solution:")
print("Uranium:", value(uranium), "kg")
print("Plutonium:", value(plutonium), "kg")
print("Total Cost: $", value(problem.objective))

このコードでは、PuLPのLpProblemを使用して最小化問題を定義し、LpVariableを使用して変数を定義します。

目的関数に燃料の総コストを設定し、制約条件を追加します。

最後にproblem.solve()で問題を解決し、結果を表示します。


上記のコードを実行して得られる結果を以下に示します。

[実行結果]
Optimization Status: Optimal
Optimal Solution:
Uranium: 500.0 kg
Plutonium: 100.0 kg
Total Cost: $ 350000.0

最適化の結果、最適解が見つかりました(Optimization Status: Optimal)。

最適解では、ウランの消費量が500キログラム、プルトニウムの消費量が100キログラムとなっています。

燃料の総コストは550,000ドルです(Total Cost: $ 550000.0)。


この結果は、ウランとプルトニウムの最小限の消費量で制約条件を満たしながら、総コストを最小化する最適な燃料供給計画を示しています。

時間割 最適化 PuLP

時間割 最適化

PuLPを使用して時間割の問題を解くための例題を以下に示します。

この例題では、特定の教室での授業のスケジューリングを最適化する問題を扱います。

以下のコードを使用して時間割の問題を解くことができます。

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from pulp import *

# 問題を作成
problem = LpProblem("Class Scheduling", LpMinimize)

# 変数の定義
days = ['Monday', 'Tuesday', 'Wednesday', 'Thursday', 'Friday']
time_slots = ['Slot 1', 'Slot 2', 'Slot 3']
classes = ['Math', 'Science', 'History']

# 変数の作成
variables = LpVariable.dicts("Class", (days, time_slots, classes), cat='Binary')

# 目的関数の定義(ここでは最小化)
problem += 0

# 制約条件の追加
# 各授業は1つの時間帯で開講される
for d in days:
for c in classes:
problem += lpSum([variables[d][t][c] for t in time_slots]) == 1

# 各時間帯には1つの授業のみが開講される
for d in days:
for t in time_slots:
problem += lpSum([variables[d][t][c] for c in classes]) <= 1

# 解く
problem.solve()

# 結果の表示
print("最適解:")
for d in days:
for t in time_slots:
for c in classes:
if value(variables[d][t][c]) == 1:
print(f"{d}: {t} - {c}")

この例題では、各日の各時間帯に1つの授業を割り当てることができるように制約条件を設定し、最適なスケジュールを求めることを目指しています。

目的関数は0であり、実際には最小化の対象ではありませんが、PuLPでは最小化問題を扱うため、ダミーの目的関数を追加しています。


このコードを実行すると、最適な授業スケジュールが表示されます。

各日の各時間帯にどの授業が割り当てられるかが示されます。

なお、上記の例題では目的関数が0であるため、スケジュール自体が最適かどうかではなく、制約条件の下で有効なスケジュールを見つけることに焦点が当てられています。


実行結果は、下記のように授業スケジュールの最適解が表示されます。

[実行結果]
最適解:
Monday: Slot 1 - Math
Monday: Slot 2 - Science
Monday: Slot 3 - History
Tuesday: Slot 1 - Science
Tuesday: Slot 2 - Math
Tuesday: Slot 3 - History
Wednesday: Slot 1 - Science
Wednesday: Slot 2 - History
Wednesday: Slot 3 - Math
Thursday: Slot 1 - Math
Thursday: Slot 2 - History
Thursday: Slot 3 - Science
Friday: Slot 1 - Science
Friday: Slot 2 - Math
Friday: Slot 3 - History

各日の各時間帯にどの授業が割り当てられるかが表示されます。

例えば、MondayのSlot 1にはMathが、MondayのSlot 2にはScienceが、MondayのSlot 3にはHistoryが割り当てられています。

同様に、他の日と時間帯においても授業が割り当てられています。

ミニマリスト 最適化問題 PuLP

ミニマリスト 最適化問題

ミニマリストに関連する最適化問題として、以下の例を考えてみます。

ミニマリストが家具を購入する際に、最小限の予算内で必要なアイテムを選ぶ問題です。

以下の制約条件が与えられています:

🔹ミニマリストは予算B内で最大でN個のアイテムを購入できます。
🔹各アイテムにはコストCi重要度Wiが関連付けられています。
🔹ミニマリストは重要度の合計を最大化したいと考えています。

解法

この問題をPuLPを使用して解く方法を示します。

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from pulp import *

# データセットの設定
N = 5 # 購入可能な最大のアイテム数
B = 100 # 予算
items = [
{'name': 'テーブル', 'cost': 30, 'importance': 8},
{'name': '椅子', 'cost': 20, 'importance': 6},
{'name': '照明器具', 'cost': 50, 'importance': 9},
{'name': '本棚', 'cost': 40, 'importance': 7},
{'name': 'ベッド', 'cost': 60, 'importance': 10}
]

# 問題の定義
prob = LpProblem("MinimalistFurnitureProblem", LpMaximize)

# 変数の作成
x = LpVariable.dicts("Item", range(len(items)), lowBound=0, upBound=1, cat=LpInteger)

# 目的関数の定義
prob += lpSum([items[i]['importance'] * x[i] for i in range(len(items))])

# 制約条件の定義
prob += lpSum([items[i]['cost'] * x[i] for i in range(len(items))]) <= B
prob += lpSum(x) <= N

# 問題の解決
prob.solve()

# 結果の出力
print("Status:", LpStatus[prob.status])
print("最適なアイテムリスト:")
for i in range(len(items)):
if value(x[i]) > 0:
print(f"{items[i]['name']}: 重要度 {items[i]['importance']}, コスト {items[i]['cost']}")

このコードは、itemsリスト内のアイテムに対して0-1変数を作成し、目的関数制約条件を定義しています。

PuLPのsolve関数を呼び出すことで、問題を解くことができます。

最適化の結果、購入すべき最適なアイテムリストが出力されます。

[実行結果]
Status: Optimal
最適なアイテムリスト:
テーブル: 重要度 8, コスト 30
椅子: 重要度 6, コスト 20
照明器具: 重要度 9, コスト 50

結果として、テーブル、椅子、照明器具の3つのアイテムが最適な選択となりました。

それぞれのアイテムには重要度コストが表示されています。


なお、この結果は与えられた予算と制約条件に基づいて導き出されたものであり、アイテムの重要度の合計を最大化するように最適化されています。

キャリア選択の最適化 PuLP

キャリア選択の最適化

キャリア選択の最適化問題の例として、以下のようなケースを考えます。

仮想的な3つの企業(A社、B社、C社)があり、それぞれの給与やりがいが与えられます。

最適なキャリア選択を行うために、給与とやりがいをバランスさせる目的関数を最大化する数理モデルを作成し、PuLPを使用して解決します。

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from pulp import *

# 問題の定義
problem = LpProblem("Career Optimization", LpMaximize)

# 企業の情報
companies = {
"A": {"salary": 500, "satisfaction": 100},
"B": {"salary": 600, "satisfaction": 90},
"C": {"salary": 400, "satisfaction": 120}
}

# 変数の作成
choices = LpVariable.dicts("Choice", companies, cat="Binary")

# 目的関数の定義
problem += lpSum(choices[company] * (companies[company]["salary"] + companies[company]["satisfaction"]) for company in companies)

# 制約条件の定義
problem += lpSum(choices.values()) == 1 # 1社だけを選択する

# 問題の解決
problem.solve()

# 結果の出力
print("最適解:")
for company in companies:
if choices[company].varValue == 1:
print(f"{company}社を選択する")

目的関数は、選択された企業の給与とやりがいの合計値を最大化するように設定されています。

制約条件では、1社だけを選択することを指定しています。

[実行結果]
最適解:
B社を選択する

上記のコードを実行すると、最適な選択が表示されます。

選択された企業が“B社を選択する”と表示された場合、B社が最適な選択となります。


実際のキャリア選択においては、給与とやりがい以外の要素や制約条件を追加することができます。

例えば、労働時間やキャリアの成長性などの要素を数値化し、目的関数制約条件に組み込むことが可能です。

具体的な要件や制約条件に合わせてモデルをカスタマイズすることで、より現実的なキャリア選択の最適化が行えます。

選挙調査の最適化 PuLP

選挙調査の最適化

選挙調査に関する最適化問題として、以下の問題を考えます。

問題:

🔹選挙区ごとに最小の調査費用で有権者の意見を調査する。

制約条件:

1️⃣ 全ての選挙区には少なくとも1つの調査所が必要である。
2️⃣ 調査所ごとの調査費用は異なる。
3️⃣ 各選挙区の調査人数は制約されており、最小と最大の人数がある。

解法

PuLPを使用してこの問題を解くためには、以下のステップを実行します。

1. 必要なモジュールをインポートする。
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from pulp import LpProblem, LpVariable, LpInteger, LpMinimize, lpSum, value
2. 問題を作成する。
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problem = LpProblem("Election Survey", LpMinimize)
3. 変数を定義する。
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# 選挙区の数
num_districts = 5

# 調査所の数
num_polling_stations = 3

# 調査費用
survey_costs = [10, 15, 12]

# 各選挙区の調査人数の制約
min_surveyors = [2, 3, 1, 2, 2]
max_surveyors = [5, 6, 4, 5, 4]

# 変数の作成
x = {}
for i in range(num_polling_stations):
for j in range(num_districts):
x[i, j] = LpVariable(f"x_{i}_{j}", lowBound=0, cat=LpInteger)
4. 目的関数を定義する。
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# 目的関数(調査費用の最小化)
problem += lpSum(survey_costs[i] * x[i, j] for i in range(num_polling_stations) for j in range(num_districts))
5. 制約条件を追加する。
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# 各選挙区には少なくとも1つの調査所が必要
for j in range(num_districts):
problem += lpSum(x[i, j] for i in range(num_polling_stations)) >= 1

# 各選挙区の調査人数の制約
for j in range(num_districts):
problem += lpSum(x[i, j] for i in range(num_polling_stations)) >= min_surveyors[j]
problem += lpSum(x[i, j] for i in range(num_polling_stations)) <= max_surveyors[j]
6. 問題を解く。
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problem.solve()
7. 最適解を出力する。
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for i in range(num_polling_stations):
for j in range(num_districts):
print(f"Polling Station {i+1} in District {j+1}: {value(x[i, j])}")

上記のコードは、選挙調査に関する最適化問題をPuLPを使用して解く方法の一例です。

選挙区ごとに最小の調査費用で有権者の意見を調査するために、調査所の割り当てと調査費用の最小化を目指しています。

最適解は、各調査所が各選挙区にどれだけの調査人数を割り当てるかを示し、最小の調査費用も表示されます。

全ソースコード

以下に、選挙調査に関する最適化問題をPuLPで解くための全コードを示します。

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from pulp import LpProblem, LpVariable, LpInteger, LpMinimize, lpSum, value

# 選挙区の数
num_districts = 5

# 調査所の数
num_polling_stations = 3

# 調査費用
survey_costs = [10, 15, 12]

# 各選挙区の調査人数の制約
min_surveyors = [2, 3, 1, 2, 2]
max_surveyors = [5, 6, 4, 5, 4]

# 問題の作成
problem = LpProblem("Election Survey", LpMinimize)

# 変数の作成
x = {}
for i in range(num_polling_stations):
for j in range(num_districts):
x[i, j] = LpVariable(f"x_{i}_{j}", lowBound=0, cat=LpInteger)

# 目的関数(調査費用の最小化)
problem += lpSum(survey_costs[i] * x[i, j] for i in range(num_polling_stations) for j in range(num_districts))

# 各選挙区には少なくとも1つの調査所が必要
for j in range(num_districts):
problem += lpSum(x[i, j] for i in range(num_polling_stations)) >= 1

# 各選挙区の調査人数の制約
for j in range(num_districts):
problem += lpSum(x[i, j] for i in range(num_polling_stations)) >= min_surveyors[j]
problem += lpSum(x[i, j] for i in range(num_polling_stations)) <= max_surveyors[j]

# 問題を解く
problem.solve()

# 最適解を出力
print("Optimization Status:", problem.status)
print("Minimum Survey Cost:", value(problem.objective))

# 各調査所の割り当て結果を表示
for i in range(num_polling_stations):
for j in range(num_districts):
print(f"Polling Station {i+1} in District {j+1}: {value(x[i, j])}")

上記のコードを実行すると、最適解と各調査所の割り当て結果が出力されます。

[実行結果]
Optimization Status: 1
Minimum Survey Cost: 100.0
Polling Station 1 in District 1: 2.0
Polling Station 1 in District 2: 3.0
Polling Station 1 in District 3: 1.0
Polling Station 1 in District 4: 2.0
Polling Station 1 in District 5: 2.0
Polling Station 2 in District 1: 0.0
Polling Station 2 in District 2: 0.0
Polling Station 2 in District 3: 0.0
Polling Station 2 in District 4: 0.0
Polling Station 2 in District 5: 0.0
Polling Station 3 in District 1: 0.0
Polling Station 3 in District 2: 0.0
Polling Station 3 in District 3: 0.0
Polling Station 3 in District 4: 0.0
Polling Station 3 in District 5: 0.0

最適化の結果、調査費用の最小値は100.0となりました。


調査所の割り当て結果を見ると、例えば”Polling Station 1 in District 1”では2人の調査員が配置されています。

また、”Polling Station 1 in District 4”や”Polling Station 1 in District 5”ではそれぞれ2人ずつの調査員が配置されています。

各調査所の割り当て結果は、有権者の意見を調査するための最適な配置を示しています。


この結果を元に、最小の調査費用で選挙区ごとに調査を行うために必要な調査所の配置調査人数を計画することができます。

敵地輸送コスト最適化 PuLP

敵地輸送コスト最適化

敵地での輸送コスト最小化問題を考えてみましょう。

具体的には、敵地にある複数の拠点から自国の拠点への輸送を最適化する問題です。

以下にPuLPを使用してこの問題を解くためのサンプルコードを示します:

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from pulp import *

# 問題の定義
problem = LpProblem("War Transportation Problem", LpMinimize)

# 変数の定義
base_names = ["Base1", "Base2", "Base3"] # 自国の拠点
enemy_bases = ["Enemy1", "Enemy2", "Enemy3"] # 敵地の拠点

# 輸送量変数
transport_vars = LpVariable.dicts("Transport", (base_names, enemy_bases), lowBound=0, cat="Integer")

# 輸送コスト辞書の定義
transport_cost_dict = {
"Base1": {
"Enemy1": 10,
"Enemy2": 8,
"Enemy3": 6
},
"Base2": {
"Enemy1": 9,
"Enemy2": 7,
"Enemy3": 5
},
"Base3": {
"Enemy1": 11,
"Enemy2": 9,
"Enemy3": 7
}
}

# 目的関数の定義
problem += lpSum(transport_vars[base][enemy] * transport_cost_dict[base][enemy]
for base in base_names for enemy in enemy_bases)

# 制約条件の定義
# 各自国の拠点からの輸送量は、自国の拠点の供給量以下である必要がある
supply_dict = {"Base1": 100, "Base2": 150, "Base3": 200}
for base in base_names:
problem += lpSum(transport_vars[base][enemy] for enemy in enemy_bases) <= supply_dict[base]

# 各敵地の拠点への輸送量は、敵地の拠点の需要量以上である必要がある
demand_dict = {"Enemy1": 80, "Enemy2": 120, "Enemy3": 100}
for enemy in enemy_bases:
problem += lpSum(transport_vars[base][enemy] for base in base_names) >= demand_dict[enemy]

# 最適化の実行
problem.solve()

# 結果の出力
print("Optimal Solution:")
for base in base_names:
for enemy in enemy_bases:
print(f"Transport from {base} to {enemy}: {transport_vars[base][enemy].varValue}")

このコードでは、自国の拠点から敵地の拠点への輸送量を最小化するように最適化問題を設定しています。

自国の拠点と敵地の拠点の数、各拠点の供給量と需要量、および輸送コストを適切に設定する必要があります。


上記のコードを適切に実行することで、最適な輸送計画が得られ、各自国の拠点から敵地の拠点への輸送量が表示されます。

[実行結果]
Optimal Solution:
Transport from Base1 to Enemy1: 30.0
Transport from Base1 to Enemy2: 0.0
Transport from Base1 to Enemy3: 70.0
Transport from Base2 to Enemy1: 0.0
Transport from Base2 to Enemy2: 120.0
Transport from Base2 to Enemy3: 30.0
Transport from Base3 to Enemy1: 50.0
Transport from Base3 to Enemy2: 0.0
Transport from Base3 to Enemy3: 0.0

各自国の拠点から敵地の拠点への輸送量が表示されています。

例えば、”Transport from Base1 to Enemy1: 30.0” は、自国の Base1 から敵地の Enemy1 への輸送量が30であることを示しています。

同様に、他の組み合わせも表示されています。


目的関数である輸送コストを最小化するために、各自国の拠点から敵地の拠点への輸送量が適切に決定されました。

制約条件(自国の拠点の供給量と敵地の拠点の需要量)も満たされています。


最適解を基にしたこの輸送計画は、輸送コストを最小化しながら効率的な物資補給を実現するために活用できます。

ダイエット最適化 PuLP

ダイエット 最適化

ダイエットに関する最適化問題として、ある人が目標とする栄養素やカロリー摂取量を達成するための最小費用を求める問題を考えます。

この問題は、食品の栄養価と価格が与えられた場合、各食品をどの程度摂取するかを決定することによって解決できます。

解法

以下は、PuLPを使用してこの問題を解く例です。

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from pulp import *

# 栄養価と価格のデータ
food = ['apple', 'banana', 'beef', 'chicken', 'milk']
cost = {'apple': 0.5, 'banana': 0.25, 'beef': 2.5, 'chicken': 1.5, 'milk': 0.4}
calories = {'apple': 50, 'banana': 100, 'beef': 250, 'chicken': 150, 'milk': 120}
protein = {'apple': 0.5, 'banana': 1.0, 'beef': 25, 'chicken': 30, 'milk': 8}
fat = {'apple': 0.2, 'banana': 0.4, 'beef': 18, 'chicken': 5, 'milk': 5}
carbs = {'apple': 13, 'banana': 27, 'beef': 0, 'chicken': 0, 'milk': 12}

# 目標とする栄養素の量
target_calories = 1500
target_protein = 100
target_fat = 50
target_carbs = 200

# 問題を定義する
prob = LpProblem("diet problem", LpMinimize)

# 各食品の摂取量を表す変数を定義する
food_vars = LpVariable.dicts("food", food, lowBound=0, cat='Continuous')

# 目的関数を定義する
prob += lpSum([cost[f] * food_vars[f] for f in food]), "Total Cost"

# 制約条件を定義する
prob += lpSum([calories[f] * food_vars[f] for f in food]) >= target_calories, "Calories Minimum"
prob += lpSum([calories[f] * food_vars[f] for f in food]) <= target_calories + 100, "Calories Maximum"
prob += lpSum([protein[f] * food_vars[f] for f in food]) >= target_protein, "Protein Minimum"
prob += lpSum([fat[f] * food_vars[f] for f in food]) >= target_fat, "Fat Minimum"
prob += lpSum([carbs[f] * food_vars[f] for f in food]) >= target_carbs, "Carbs Minimum"

# 問題を解く
prob.solve()

# 結果を表示する
print("Status:", LpStatus[prob.status])
for v in prob.variables():
print(v.name, "=", v.varValue)
print("Total Cost =", value(prob.objective))

この例では、最小化したい変数を cost[f] * food_vars[f] で表し、目的関数は lpSum([cost[f] * food_vars[f] for f in food]) として定義されています。

制約条件は、それぞれの栄養素の最小値を表す不等式制約として設定されています。

また、各変数の下限は0に、上限は指定されていません。


最適化問題をPuLPで解いた結果、各食品の摂取量が計算され、総費用も表示されます。

これにより、与えられた栄養目標を達成する最小費用が求められます。


上記のコードを実行すると、以下のような結果が得られます。

[実行結果]
Status: Optimal
food_apple = 0.0
food_banana = 2.745098
food_beef = 0.0
food_chicken = 0.44444444
food_milk = 10.490196
Total Cost = 5.54901956

Status: Optimalという結果が得られたことから、問題が最適化されたことがわかります。

さらにバナナを2.74、鶏肉を0.44、牛乳を10.49摂取すると、目標のカロリー、タンパク質、脂質、炭水化物を達成することができ、総費用は5.549ドルになることを示しています。

税金 最適化 PuLP

税金 最適化

税金に関する最適化問題の例として、税金の申告を行う個人が受ける税金控除の種類や額を最適に選択する問題を考えてみましょう。

具体的には、以下のような問題設定を考えます。


ある個人が申告する税金の総額を $T$ とします。

この個人は、以下のような種類の税金控除を受けることができます。

🔹住宅ローン控除: 最大で $H$ 円までの住宅ローンの利息を控除できる。
🔹教育費控除: 最大で $E$ 円までの教育費を控除できる。
🔹寄附金控除: 寄附金のうち、最大で $D$ 円までを控除できる。

この個人は、これらの控除を組み合わせて、総支払額である $T$ 円を最小限に抑えたいと考えています。

解法

最小限の支払額を求めるために、PuLPを用いた線形計画法を適用してみましょう。

数学モデルを以下に示します。

【変数】

🔹$h$: 住宅ローン控除額
🔹$e$: 教育費控除額
🔹$d$: 寄附金控除額

【目的関数】

🔹$\min$ $T - (h+e+d)$

【制約条件】

🔹住宅ローン控除は $H$ 円以内でなければならない:$h \leq H$
🔹教育費控除は $E$ 円以内でなければならない:$e \leq E$
🔹寄附金控除は $D$ 円以内でなければならない:$d \leq D$
🔹総控除額は総支払額 $T$ 以下でなければならない:$h+e+d \leq T$

PuLPを使ってこの問題を解くには、以下のようになります。

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from pulp import *

# 最大の住宅ローン控除額
H = 500000

# 最大の教育費控除額
E = 100000

# 最大の寄附金控除額
D = 30000

# 総支払額
T = 1000000

# 問題を定義
prob = LpProblem("tax_optimization", LpMinimize)

# 変数を定義
h = LpVariable("h", 0, H)
e = LpVariable("e", 0, E)
d = LpVariable("d", 0, D)

# 目的関数を定義
prob += T - (h + e + d)

# 制約条件を定義
prob += h <= H
prob += e <= E
prob += d <= D
prob += h + e + d <= T

# 最適化を実行
status = prob.solve()

# 結果を表示
print(f"Status: {LpStatus[status]}")
print(f"Optimal value: {value(prob.objective)}")
print(f"h: {value(h.value())}, e: {value(e.value())}, d: {value(d.value())}")

このコードを実行すると、以下のような結果が得られます。

[実行結果]
Status: Optimal
Optimal value: 370000.0
h: 500000.0, e: 100000.0, d: 30000.0

この結果から、総支払額 $T$ が $1000000$ 円の場合、最小限の支払額は $370000$ 円であり、そのうち $500000$ 円が住宅ローン控除、$100000$ 円が教育費控除、$30000$ 円が寄附金控除であることがわかります。