import {Component} from 'preact'
import Split from "../components/old/split";
import Latex from "../components/Latex";
import Panel from "../components/old/panel";
import Example from "../components/example";
import Todo from "../components/old/todo";
import Minus from "../components/old/minus";
import Plus from "../components/old/plus";
import Code from "../components/old/code";
import Timer from "../components/old/timer";
import Image from "../components/Image";
import Unfeasible from "../components/OttimizzazioneLineare/Unfeasible";
import Unbounded from "../components/OttimizzazioneLineare/Unbounded";
import Min from "../components/OttimizzazioneLineare/Min";
import Max from "../components/OttimizzazioneLineare/Max";
import PLatex from "../components/PLatex";

const r = String.raw;

export default class OttimizzazioneLineare extends Component {
    render() {
        return (
            <div>
                <h1>Ottimizzazione lineare intera</h1>
                <Split title={"Unimore"}>
                    <Panel title={"Videolezioni su YouTube"}>
                        <p>
                            Ho rimosso il rumore in sottofondo da tutti i video di Ricerca Operativa!
                        </p>
                        <p>
                            <b><a href={"https://www.youtube.com/playlist?list=PLh93e8qjTszffkHNn-19CqUOhHFbhBlBh"}>Guardate i video qui!</a></b>
                        </p>
                    </Panel>
                    <Panel title={"Prossimi appelli"}>
                        <ol>
                            <li><Timer to={"2020-06-08"}/></li>
                            <li><Timer to={"2020-06-25"}/></li>
                            <li><Timer to={"2020-07-14"}/></li>
                        </ol>
                    </Panel>
                </Split>
                <Split title={"Le basi"}>
                    <Panel title={"Funzione obiettivo"}>
                        <p>
                            La funzione obiettivo è la funzione con valore noto sconosciuto:
                        </p>
                        <p>
                            <Latex>{r`z = C_1 \cdot x_1 + C_2 \cdot x_2 + C_n \cdot x_n`}</Latex>
                        </p>
                    </Panel>
                </Split>
                <Split title={"Problemi di ottimizzazione lineare"}>
                    <Panel title={"Cosa sono?"}>
                        <p>
                            I problemi di ottimizzazione lineare sono problemi che cercano di <Min>minimizzare</Min>/<Max>massimizzare</Max> il valore di una <i>funzione obiettivo</i> le cui incognite sono sottoposte a un <b>sistema di <i>vincoli</i></b>.
                        </p>
                    </Panel>
                    <Panel title={"Funzione obiettivo"}>
                        <p>
                            La funzione da <Min>minimizzare</Min>/<Max>massimizzare</Max>.
                        </p>
                        <p>
                            Il vettore dei suoi coefficienti è detto <Latex>{r`\mathbf{c}`}</Latex>, mentre quello delle sue incognite <Latex>{r`\mathbf{x}`}</Latex>.
                        </p>
                        <p>
                            Si può ricavare la sua soluzione, detta <i>valore ottimo</i>, dal prodotto vettoriale <Latex>{r`\mathbf{c} \times \mathbf{x}`}</Latex>, scritto solitamente in forma matriciale come <Latex>{r`\mathbf{c}^T \mathbf{x}`}</Latex>.
                        </p>
                        <p>
                            Spesso, la funzione obiettivo è indicata con il nome <Latex>{r`z(\dots)`}</Latex>.
                        </p>
                    </Panel>
                    <Panel title={"Vincoli"}>
                        <p>
                            Equazioni e disequazioni a cui devono sottostare le incognite perchè esse formino una soluzione valida.
                        </p>
                        <p>
                            I loro coefficienti sono contenuti nella matrice <Latex>{r`\mathbf{A}`}</Latex>, mentre i loro termini noti nel vettore <Latex>{r`\mathbf{b}`}</Latex>.
                        </p>
                    </Panel>
                    <Panel title={"Gradiente"}>
                        <p>
                            <b>Funzione</b> della funzione obiettivo che restituisce la direzione del suo aumento più veloce.
                        </p>
                        <p>
                            <Latex>{r`\nabla f = \frac{\delta f}{\delta x_1} \mathbf{I}_1 + \frac{\delta f}{\delta x_2} \mathbf{I}_2 + \frac{\delta f}{\delta x_n} \mathbf{I}_n`}</Latex>
                        </p>
                        <Example>
                            La matrice <Latex>{r`\mathbf{I}`}</Latex> è la matrice identità.
                        </Example>
                        <Example>
                            Se la funzione obiettivo è <Latex>z = 2w + 3x + 4y</Latex>, il suo gradiente è <Latex>{r`\nabla z = (2, 3, 4)`}</Latex>.
                        </Example>
                    </Panel>
                </Split>
                <Split title={"Forme di un problema di ottimizzazione"}>
                    <Panel title={"Forma generale"}>
                        <p>
                            Un problema con:
                        </p>
                        <ul>
                            <li><b>Equazioni e disequazioni</b></li>
                            <li><b>Variabili non vincolate</b></li>
                        </ul>
                        <PLatex>{r`min \left\{ \mathbf{c}^T \mathbf{x} : \mathbf{A} \mathbf{x} = b,\quad \mathbf{A'} \mathbf{x} \geq \mathbf{b'} \quad x_j \geq 0,\quad j = 1 \dots n \right\}`}</PLatex>
                    </Panel>
                    <Panel title={"Forma canonica"}>
                        <p>
                            Un problema con:
                        </p>
                        <ul>
                            <li><b>Solo disequazioni</b></li>
                            <li><b>Vincoli di non-negatività sulle incognite</b></li>
                        </ul>
                        <PLatex>{r`min \left\{ \mathbf{c}^T \mathbf{x} : \mathbf{A} \mathbf{x} \geq b,\quad x_j \geq 0,\quad j = 1 \dots n \right\}`}</PLatex>
                    </Panel>
                    <Panel title={"Forma standard"}>
                        <p>
                            Un problema con:
                        </p>
                        <ul>
                            <li><b>Solo equazioni</b></li>
                            <li><b>Vincoli di non-negatività sulle incognite</b></li>
                        </ul>
                        <PLatex>{r`min \left\{ \mathbf{c}^T \mathbf{x} : \mathbf{A} \mathbf{x} = b,\quad x_j \geq 0,\quad j = 1 \dots n \right\}`}</PLatex>
                    </Panel>
                </Split>
                <Split title={"Conversioni tra le forme"}>
                    <Panel title={"Standard e generale"}>
                        <p>
                            Applica questa conversione a ogni equazione nel sistema:
                        </p>
                        <p>
                            <Latex inline={false}>{r`a = b \Leftrightarrow
                                \begin{cases}
                                    a \leq b\\
                                    a \geq b
                                \end{cases}
                            `}</Latex>
                        </p>
                        <Example>Serve solo nella teoria per dimostrare che le forme sono equivalenti.</Example>
                    </Panel>
                    <Panel title={"Canonica e standard"}>
                        <p>
                            Aggiungi una <i>variabile slack</i> <Latex>{r`s`}</Latex> <b>non-vincolata</b> a ogni disequazione nel sistema:
                        </p>
                        <p>
                            <Latex inline={false}>{r`
                                a \leq b \Leftrightarrow a + s = b
                            `}</Latex>
                        </p>
                        <p>
                            <Latex inline={false}>{r`
                                a \geq b \Leftrightarrow a - s = b
                            `}</Latex>
                        </p>
                    </Panel>
                    <Panel title={"Generale e canonica"}>
                        <p>
                            Sdoppia ogni variabile non-vincolata in due variabili con vincolo di non-negatività:
                        </p>
                        <p>
                            <Latex inline={false}>{r`\begin{cases}
                                a = a^+ - a^-\\
                                a^+ \geq 0\\
                                a^- \geq 0
                            \end{cases}`}</Latex>
                        </p>
                    </Panel>
                </Split>
                <Split title={"La forma standard"}>
                    <Panel title={"Tableau"}>
                        <p>
                            Un modo per rappresentare sistemi in forma standard, anche noto come <b>matrice equivalente completa</b> del sistema.
                        </p>
                        <Example>
                            Il sistema:<br/><br/>
                            <Latex inline={false}>{r`
                                \begin{cases}
                                2000x_1 + 1000x_2 = z\\
                                1x_1 \leq 3\\
                                1x_2 \leq 3\\
                                2x_1 + 2x_2 \leq 7
                                \end{cases}
                            `}</Latex><br/><br/>
                            Diventa il tableau:<br/><br/>
                            <table class={"right"}>
                                <thead>
                                    <tr>
                                        <th><abbr title={"Termine noto"}>TN</abbr></th>
                                        <th><Latex>x_1</Latex></th>
                                        <th><Latex>x_2</Latex></th>
                                        <th><Latex>s_1</Latex></th>
                                        <th><Latex>s_2</Latex></th>
                                    </tr>
                                </thead>
                                <tbody>
                                    <tr>
                                        <td><Latex>z</Latex></td>
                                        <td><Latex>2000</Latex></td>
                                        <td><Latex>1000</Latex></td>
                                        <td><Latex>0</Latex></td>
                                        <td><Latex>0</Latex></td>
                                    </tr>
                                    <tr>
                                        <td><Latex>3</Latex></td>
                                        <td><Latex>1</Latex></td>
                                        <td><Latex>0</Latex></td>
                                        <td><Latex>1</Latex></td>
                                        <td><Latex>0</Latex></td>
                                    </tr>
                                    <tr>
                                        <td><Latex>3</Latex></td>
                                        <td><Latex>0</Latex></td>
                                        <td><Latex>1</Latex></td>
                                        <td><Latex>0</Latex></td>
                                        <td><Latex>1</Latex></td>
                                    </tr>
                                    <tr>
                                        <td><Latex>7</Latex></td>
                                        <td><Latex>2</Latex></td>
                                        <td><Latex>2</Latex></td>
                                        <td><Latex>0</Latex></td>
                                        <td><Latex>0</Latex></td>
                                    </tr>
                                </tbody>
                            </table>
                        </Example>
                    </Panel>
                    <Panel title={"Variabili nella base"}>
                        <p>
                            Variabili che hanno <b>tutti 0 e un solo 1</b> nella loro colonna del tableau.
                        </p>
                        <p>
                            La loro controparte sono le <i>variabili fuori base</i>, che hanno qualsiasi altro valore.
                        </p>
                    </Panel>
                </Split>
                <Split title={"Simplex"}>
                    <Panel title={"Cos'è?"}>
                        <p>
                            Un algoritmo per <Min>minimizzare</Min>/<Max>massimizzare</Max> efficientemente variabili di sistemi lineari, derivato da Gauss-Jordan.
                        </p>
                        <Example>
                            E' spiegato in modo semplice <a href={"https://web.archive.org/web/20200523052252/https://www.cs.cmu.edu/~15451-f17/handouts/simplex.pdf"}>qui</a>, e ci sono dei codici sorgenti di esempio <a href={"https://www.cs.cmu.edu/~15451-f17/handouts/simplexcodes/"}>qui</a>.
                        </Example>
                        <Example title={"Esempio"}>
                            <p>
                                <a href={"https://i.imgur.com/1r405Mb.jpg"}>Questa</a> è la soluzione passo per passo del problema 3 del file <a href={"https://dolly.fim.unimore.it/2019/mod/resource/view.php?id=2716"}><code>Ex_LP_testo</code></a>.
                            </p>
                        </Example>
                    </Panel>
                    <Panel title={"I passi"}>
                        <ol>
                            <li>Trasforma il sistema in <b>forma standard</b>.</li>
                            <li>Trova tante variabili <b>linearmente indipendenti</b> quante siano le righe: esse saranno la <i>base iniziale</i>.</li>
                            <li>Finchè ci sono variabili con coefficienti <Min>positivi</Min>/<Max>negativi</Max> nella funzione obiettivo:
                                <ol>
                                    <li>
                                        <b>Scegli</b> la prima variabile con coefficiente <Min>positivo</Min>/<Max>negativo</Max> nella funzione obiettivo: essa è la <i>variabile entrante</i>.
                                        <Example>Si potrebbe scegliere qualsiasi variabile, ma scegliendo sempre la prima possibile (<i>Regola di Bland</i>) ci si assicura che l'algoritmo termini.</Example>
                                    </li>
                                    <li>Trova la variabile di base (detta <i>variabile uscente</i>) tramite il rapporto <Latex>{r`\frac{termine\ noto}{coeff.\ variabile\ entrante}`}</Latex>:<br/> scegli la variabile con il <b>rapporto minore</b>, assicurandoti che esso sia <b>positivo</b>.<br/> Se tutti i rapporti sono negativi, allora il problema è <b><Unbounded/></b>.</li>
                                    <li><b>Riscrivi</b> tutte le funzioni del sistema in termini della variabile entrante.</li>
                                </ol>
                            </li>
                            <li>I <b>termini noti dei vincoli</b> sono le coordinate del risultato, mentre il <b>termine noto della funzione obiettivo</b> è il valore ottimo.</li>
                        </ol>
                        <Example>
                            È praticamente l'algoritmo di Gauss-Jordan applicato il tableau con delle regole aggiuntive per la decisione delle variabili di pivot.
                        </Example>
                    </Panel>
                    <Panel title={"Soluzioni di base degenerata"}>
                        <p>
                            Una soluzione con almeno una variabile di valore <Latex>0</Latex>, dovuta a uno o più <b>vincoli ridondanti</b>.
                        </p>
                        <p>
                            Senza <b>Regola di Bland</b> e in presenza di vincoli ridondanti si rischia di trovarsi a fare pivot infiniti.
                        </p>
                    </Panel>
                </Split>
                <Split title={"Metodo delle due fasi"}>
                    <Panel title={"Metodo delle due fasi"}>
                        <p>
                            Un estensione del Simplex per permettere la risoluzione di problemi la cui origine non è una soluzione ammissibile.
                        </p>
                        <p>
                            Prevede l'introduzione di un <i>problema ausiliario</i>, le cui incognite sono dette <i>artificiali</i>.
                        </p>
                        <p>
                            Il vettore delle incognite artificiali è solitamente chiamato <Latex>{r`\mathbf{y}`}.</Latex>
                        </p>
                        <Example>
                            E' spiegato in modo semplice <a href={"https://web.archive.org/web/20200523052252/https://www.cs.cmu.edu/~15451-f17/handouts/simplex.pdf"}>qui</a>.
                        </Example>
                    </Panel>
                    <Panel title={"Procedimento"}>
                        <ol>
                            <li>Crea un nuovo tableau, <b>aggiungendo variabili artificiali</b> in modo da avere una base ammissibile.</li>
                            <li>Sostituisci la vecchia funzione obiettivo con una nuova che <b>minimizzi la somma</b> di tutte le variabili artificiali.</li>
                            <li><u>Fase 1</u>: <b>Risolvi</b> il nuovo problema con il metodo Simplex.</li>
                            <li>Se il Simplex termina con ancora <b>variabili artificiali nella base</b>, allora il problema è <b><Unfeasible/></b>.</li>
                            <li>Una volta che le variabili artificiali sono fuori base, <b>elimina</b> le loro colonne e la nuova funzione obiettivo.<br/></li>
                            <li>Riporta il tableau in forma base compiendo operazioni per <b>azzerare i coefficienti</b> delle variabili di base nella funzione obiettivo.</li>
                            <li><u>Fase 2</u>: <b>Risolvi</b> il tableau con il metodo Simplex.</li>
                        </ol>
                    </Panel>
                </Split>
                <Split title={"Rilassamento"}>
                    <Panel title={"Cos'è?"}>
                        <p>
                            Una versione semplificata di un problema nella quale si <b>ignora la violazione</b> di uno o più vincoli.
                        </p>
                    </Panel>
                    <Panel title={"Rilassamento di Lagrange"}>
                        <p>
                            Un rilassamento che permette di misurare <b>di quanto i vincoli vengono violati</b>.
                        </p>
                        <p>
                            I vincoli, moltiplicati per <b>coefficienti di rilassamento</b>, vengono inseriti nella funzione obiettivo.
                        </p>
                        <p>
                            Il vettore dei coefficienti di rilassamento solitamente è indicato con <Latex>{r`\mathbf{u}`}</Latex>.
                        </p>
                        <Example>
                            <p>
                                Il sistema:
                            </p>
                            <Latex inline={false}>{r`
                                \begin{cases}
                                z = 3 x_1 + 5 x_2\\
                                2 x_1 + 3 x_2 \geq 12\\
                                - x_1 + 3 x_2 \geq 3\\
                                x_1 \geq 0\\
                                x_2 \geq 0
                                \end{cases}
                            `}</Latex>
                            <p>
                                diventa:
                            </p>
                            <Latex inline={false}>{r`
                                \begin{cases}
                                z_{LR} = 3 x_1 + 5 x_2 + u_1 ( 12 - 2 x_1 - 3 x_2 ) + u_2 ( 3 + x_1 - 3 x_2 )\\
                                x_1 \geq 0\\
                                x_2 \geq 0
                                \end{cases}
                            `}</Latex>
                        </Example>
                    </Panel>
                </Split>
                <Split title={"Dualità"}>
                    <Panel title={"Duale"}>
                        <p>
                            Il sistema che <b><Min>massimizza</Min>/<Max>minimizza</Max> i moltiplicatori di rilassamento</b> di un qualsiasi sistema, detto <i>primale</i>.
                        </p>
                        <p>
                            Si dimostra che la sua soluzione (se esiste) è <b>uguale</b> alla soluzione del problema primale.
                        </p>
                    </Panel>
                    <Panel title={"In termini matriciali"}>
                        <p>
                            Possiamo <b>trasporre</b> il tableau e sostituire le variabili <Latex>{r`x_n`}</Latex> con variabili <Latex>{r`u_n`}</Latex> per ottenere il sistema duale!
                        </p>
                        <p>
                            I maggiori e minori dei vincoli diventeranno maggiori e minori delle variabili e viceversa.
                        </p>
                    </Panel>
                    <Panel title={"Feasibility del duale"}>
                        <ul>
                            <li>Se un problema ha una <b>soluzione finita</b>, allora anche il suo duale la avrà.</li>
                            <li>Se un problema è <b><Unfeasible/></b>, allora il suo duale potrà essere <Unfeasible/> oppure <Unbounded/>.</li>
                            <li>Se un problema è <b><Unbounded/></b>, allora il suo duale sarà certamente <Unfeasible/>.</li>
                        </ul>
                    </Panel>
                </Split>
                <Split>
                    <Panel title={"Lemma di Farkas"}>
                        <p>
                            <Todo>TODO: una complicata dimostrazione per dire varie cose. Probabilmente si riesce a saltare se non si dà l'orale...</Todo>
                        </p>
                    </Panel>
                    <Panel title={"Dualità forte"}>
                        <p>
                            Il teorema che dimostra l'equivalenza tra primale e duale.
                        </p>
                        <p>
                            Se uno dei due problemi è finito, la soluzione di uno coincide con la soluzione dell'altro.
                        </p>
                        <p>
                            <Latex>{r`\mathbf{c}^T \mathbf{x} = \mathbf{u}^T \mathbf{b}`}</Latex>
                        </p>
                        <p>
                            <Todo>TODO: Anche qui c'è una lunga dimostrazione...</Todo>
                        </p>
                    </Panel>
                    <Panel title={"Dualità debole"}>
                        <p>
                            Il teorema che dimostra che il valore della funzione obiettivo del duale (di un qualsiasi tableau) è sempre <Min>minore o uguale</Min>/<Max>maggiore o uguale</Max> alla soluzione del corrispettivo primale.
                        </p>
                        <p>
                            <Todo>TODO: Dimostrazione cortina, ma sembra complicata.</Todo>
                        </p>
                    </Panel>
                </Split>
            </div>
        )
    }
}