Universidad Nacional Autónoma de Nicaragua UNAN-Managua. Curso de Investigación de Operaciones

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1 Universidad Nacional Autónoma de Nicaragua UNAN-Managua Curso de Investigación de Operaciones Profesor: MSc. Julio Rito Vargas Avilés. Estudiantes: FAREM-Carazo Unidad II Modelos de Programación Lineal y su Interpretación geométrica Quien tiene un libro y no lo lee, no se diferencia de aquel que no sabe leer Año académico: II Semestre 2010

2 Un problema de máximos de programación lineal Problema 1: Una fábrica de bombones tiene almacenados 500 Kg.. de chocolate, 100 Kg.. de almendras y 85 Kg.. de frutas. Produce dos tipos de cajas: las de tipo A contienen 3 Kg. de chocolote, 1 Kg. de almendras y 1 Kg. de frutas; la de tipo B contiene 2 Kg. de chocolate, 1,5 Kg. de almendras y 1 Kg. de frutas. Los precios de las cajas de tipo A y B son 13 y 13,50, respectivamente. Cuántas cajas de cada tipo debe fabricar para maximizar sus venta? La siguiente tabla resume los datos del problema Designando por x = nº de cajas de tipo A y = nº de cajas de tipo B Función objetivo z = f (x, y) = 13x y Con las restricciones: Caja tipo A Caja tip B Disponibles Chocolate Almendras Frutas Precio en euros que hay que maximizar 3x + 2y 500 (por el chocolate almacenado) x + 1.5y 100 (por la almendra almacenada) x + y 85 (por la fruta almacenada) x 0 y 0

3 En un primer paso representamos la región factible. En un segundo paso obtenemos los vértices de la región factible. R(0, 100/1,5) Finalmente evaluamos la función objetivo z = 13x + 13,50y ; en cada vértice, para obtener el máximo z(p) = ,50. 0 = 1105 Q(55, 30) z(q) = , = 1120 z(r) = , /1,5 = 900 P(85, 0)

4 Un problema de mínimos de programación lineal Problema2: Un grupo local posee dos emisoras de radio, una de FM y otra de AM. La emisora de FM emite diariamente 12 horas de música rock, 6 horas de música clásica y 5 horas de información general. La emisora de AM emite diariamente 5 horas de música rock, 8 horas de música clásica y 10 horas de información general. Cada día que emite la emisora de FM le cuesta al grupo 5000, y cada día que emite la emisora de AM le cuesta al grupo Sabiendo que tiene enlatado para emitir 120 horas de música rock, 180 horas de música clásica y 100 horas de información general, cuántos días deberá emitir con ese material cada una de la emisoras para que el coste sea mínimo, teniendo en cuenta que entre las dos emisoras han de emitir al menos una semana? La siguiente tabla resume los datos del problema Designando por x = nº de días de AM y = nº de días de FM Emisora FM Emisora AM Disponibles Música rock Música clásica Información general Coste en euros Función objetivo z = f (x, y) = 5000x y que hemos de minimizar Con las restricciones: 12x + 5y 120 (por la música rock) 6x + 8y 180 (por la música clásica) 5x + 10y 100 (por la información general) x + y 7 (emitir al menos una semana) x 0 y 0

5 En un primer paso representamos la región factible. En un segundo paso obtenemos los vértices de la región factible. Finalmente evaluamos la función objetivo z = 5000x y en cada vértice, para obtener el mínimo. z(p) = = z(q) = = R(0, 10) S(0, 7) Q(7.37, 6.32 z(r) = = z(s) = = z(t) = = T(7, 0) P(10, 0)

6 Problema 3 La fábrica Gepetto S.L., manufactura muñecos y trenes de madera. Cada muñeco: Produce un beneficio neto de U$3. Requiere 2 horas de trabajo de acabado. Requiere 1 hora de trabajo de carpinteria. Cada tren: Produce un beneficio neto de U$2 Requiere 1 hora de trabajo de acabado. Requiere 1 hora trabajo de carpinteria. Cada semana Gepetto puede disponer de: Todo el material que necesite. Solamente 100 horas de acabado. Solamente 80 horas de carpinteria. También: La demanda de trenes puede ser cualquiera (sin límite). La demanda de muñecos es como mucho 40. Gepetto quiere maximizar sus beneficios. Cuántos muñecos y cuántos trenes debe fabricar?

7 Este problema es un ejemplo típico de un problema de programación lineal (PPL). Variables de Decisión x = nº de muñecos producidos a la semana y = nº de trenes producidos a la semana Función Objetivo. En cualquier PPL, la decisión a tomar es como maximizar (normalmente el beneficio) o minimizar (el coste) de alguna función de las variables de decisión. Esta función a maximizar o minimizar se llama función objetivo. El objetivo de Gepetto es elegir valores de x e y para maximizar 3x + 2y. Usaremos la variable z para denotar el valor de la función objetivo. La función objetivo de Gepetto es: Max z = 3x + 2y Restricciones Son desigualdades que limitan los posibles valores de las variables de decisión. En este problema las restricciones vienen dadas por la disponibilidad de horas de acabado y carpintería y por la demanda de muñecos. También suele haber restricciones de signo o no negatividad: x 0 y 0

8 Restricción 1: no más de 100 horas de tiempo de acabado pueden ser usadas. Restricción 2: Restricciones Cuando x e y crecen, la función objetivo de Gepetto también crece. Pero no puede crecer indefinidamente porque, para Gepetto, los valores de x e y están limitados por las siguientes tres restricciones: no más de 80 horas de tiempo de carpinteria pueden ser usadas. Restricción 3: limitación de demanda, no deben fabricarse más de 40 muñecos. Estas tres restricciones pueden expresarse matematicamente por las siguientes desigualdades: Restricción 1: 2 x + y 100 Restricción 2: x + y 80 Restricción 3: x 40 Además, tenemos las restricciones de no negatividad: x 0 e y 0

9 Formulación matemática del PPL Variables de Decisión x = nº de muñecos producidos a la semana y = nº de trenes producidos a la semana Muñeco Tren Beneficio 3 2 Acabado Max z = 3x + 2y (función objetivo) 2 x + y 100 (acabado) Carpintería x + y 80 (carpinteria) Demanda 40 x 40 (demanda muñecos) x 0 (restricción de signo) y 0 (restricción de signo)

10 Formulación matemática del PPL Para el problema de Gepetto, combinando las restricciones de signo x 0 e y 0 con la función objetivo y las restricciones, tenemos el siguiente modelo de optimización: Sujeto a (s.a:) Max z = 3x + 2y (función objetivo) 2 x + y 100 (restricción de acabado) x + y 80 (restricción de carpinteria) x 40 (restricción de demanda de muñecos) x 0 (restricción de signo) y 0 (restricción de signo)

11 Región factible La región factible de un PPL es el conjunto de todos los puntos que satisfacen todas las restricciones. Es la región del plano delimitada por el sistema de desigualdades que forman las restricciones. x = 40 e y = 20 está en la región factible porque satisfacen todas las restricciones de Gepetto. Sin embargo, x = 15, y = 70 no está en la región factible porque este punto no satisface la restricción de carpinteria [ > 80]. Restricciones de Gepetto 2x + y 100 (restricción finalizado) x + y 80 (restricción carpintería) x 40 (restricción demanda) x 0 (restricción signo) y 0 (restricción signo)

12 Solución óptima Para un problema de maximización, una solución óptima es un punto en la región factible en el cual la función objetivo tiene un valor máximo. Para un problema de minimización, una solución óptima es un punto en la región factible en el cual la función objetivo tiene un valor mínimo. La mayoría de PPL tienen solamente una solución óptima. Sin embargo, algunos PPL no tienen solución óptima, y otros PPL tienen un número infinito de soluciones. Se puede demostrar que la solución óptima de un PPL está siempre en la frontera de la región factible, en un vértice (si la solución es única) o en un segmento entre dos vértices contiguos (si hay infinitas soluciones) Más adelante veremos que la solución del PPL de Gepetto es x = 20 e y = 60. Esta solución da un valor de la función objetivo de: z = 3x + 2y = = 180 Cuando decimos que x = 20 e y = 60 es la solución óptima, estamos diciendo que, en ningún punto en la región factible, la función objetivo tiene un valor (beneficio) superior a 180.

13 Representación Gráfica de las restricciones Cualquier PPL con sólo dos variables puede resolverse gráficamente. Y 100 2x + y = 100 Por ejemplo, para representar gráficamente la primera restricción, 2x + y 100 : Dibujamos la recta 2x + y = Elegimos el semiplano que cumple la desigualdad: el punto (0, 0) la cumple ( ), así que tomamos el semiplano que lo contiene X

14 Dibujar la región factible Puesto que el PPL de Gepetto tiene dos variables, se puede resolver gráficamente. La región factible es el conjunto de todos los puntos que satisfacen las restricciones: 2 x + y 100 (restricción de acabado) x + y 80 (restricción de carpintería) x 40 (restricción de demanda) x 0 (restricción de signo) y 0 (restricción de signo) Vamos a dibujar la región factible que satisface estas restricciones.

15 Dibujar la región factible Y Restricciones 100 2x + y = x + y 100 x + y x 40 x 0 60 y 0 40 Teniendo en cuenta las restricciones de signo (x 0, y 0), nos queda: X

16 Dibujar la región factible Y 100 Restricciones 80 2 x + y 100 x + y 80 x 40 x 0 y x + y = X

17 Dibujar la región factible Y 100 Restricciones 2 x + y 100 x + y 80 x 40 x 0 y x = X

18 La intersección de todos estos semiplanos (restricciones) nos da la región factible Dibujar la región factible Y x + y = 100 x = x + y = Región Factible X

19 La región factible (al estar limitada por rectas) es un polígono. En esta caso, el polígono ABCDE. Como la solución óptima está en alguno de los vértices (A, B, C, D o E) de la región factible, calculamos esos vértices. Vértices de la región factible Y E D Región Factible 2x + y = 100 C x = 40 x + y = 80 Restricciones 2 x + y 100 x + y 80 x 40 x 0 y 0 A B X

20 Vértices de la región factible Los vértices de la región factible son intersecciones de dos rectas. El punto D es la intersección de las rectas 2x + y = 100 x + y = 80 La solución del sistema x = 20, y = 60 nos da el punto D. Y x + y = 100 E(0, 80) x = 40 D (20, 60) B es solución de x = 40 y = 0 C es solución de x = 40 2x + y = 100 E es solución de x + y = 80 x = A(0, 0) Región Factible C(40, 20) B(40, 0) x + y = X

21 Resolución gráfica Max z = 3x + 2y Y Para hallar la solución óptima, dibujamos las rectas en las cuales los puntos tienen el mismo valor de z (0, 80) (20, 60) La figura muestra estas lineas para z = 0, z = 100, y z = Región Factible (40, 20) (40, 0) (0, 0) z = 0 z = 100 z = 180 X

22 Resolución gráfica Max z = 3x + 2y La última recta de z que interseca (toca) la región factible indica la solución óptima para el PPL. Para el problema de Gepetto, esto ocurre en el punto D (x = 20, y = 60, z = 180). Y (0, 0) (0, 80) (20, 60) Región Factible (40, 20) (40, 0) z = 0 z = 100 z = 180 X

23 Max z = 3x + 2y Resolución analítica Y También podemos encontrar la solución óptima calculando el valor de z en los vértices de la región factible (0, 80) Vértice z = 3x + 2y (0, 0) z = = 0 (40, 0) z = = 120 (40, 20) z = = 160 (20, 60) z = = 180 (0, 80) z = = (20, 60) Región Factible (40, 20) La solución óptima es: x = 20 muñecos y = 60 trenes z = U$ 180 de beneficio (0, 0) (40, 0) X

24 Hemos identificado la región factible para el problema de Gepetto y buscado la solución óptima, la cual era el punto en la región factible con el mayor valor posible de z.

25 Recuerda que: La región factible en cualquier PPL está limitada por segmentos (es un polígono, acotado o no). La región factible de cualquier PPL tiene solamente un número finito de vértices. Cualquier PPL que tenga solución óptima tiene un vértice que es óptimo.

26 Problema 4. Un problema de minimización Dorian Auto; fabrica y vende autos y furgonetas.la empresa quiere emprender una campaña publicitaria en TV y tiene que decidir comprar los tiempos de anuncios en dos tipos de programas: del corazón y fútbol. Cada anuncio del programa del corazón es visto por 6 millones de mujeres y 2 millones de hombres. Cada partido de fútbol es visto por 3 millones de mujeres y 8 millones de hombres. Un anuncio en el programa de corazón cuesta U$ y un anuncio del fútbol cuesta U$ Dorian Auto quisiera que los anuncios sean vistos por lo menos 30 millones de mujeres y 24 millones de hombres. Dorian Auto quiere saber cuántos anuncios debe contratar en cada tipo de programa para que el coste de la campaña publicitaria sea mínimo.

27 Formulación del problema: Cada anuncio del programa del corazón es visto por 6 millones de mujeres y 2 millones de hombres. Cada partido de fútbol es visto por 3 millones de mujeres y 8 millones de hombres. Un anuncio en el programa de corazón cuesta U$ y un anuncio del fútbol cuesta U$ Dorian Auto quisiera que los anuncios sean vistos por lo menos 30 millones de mujeres y 24 millones de hombres. Dorian Auto quiere saber cuántos anuncios debe contratar en cada tipo de programa para que el coste de la campaña publicitaria sea mínimo. Corazón (x) Fútbol (y) mujeres 6 3 6x + 3y 30 hombres 2 8 2x + 8y 24 Coste U$ x +100y

28 Formulación del problema: Variables de decisión: x = nº de anuncios en programa de corazón y = nº de anuncios en fútbol Min z = 50x + 100y (función objetivo en ) s.a: 6x + 3y 30 (mujeres) 2x + 8y 24 (hombres) x, y 0 (no negatividad)

29 Dibujamos la región factible. Y 14 Min z = 50 x + 100y s.a. 6x + 3y 30 2x + 8y 24 x, y x + 3y = x + 8y = X

30 Calculamos los vértices de la región factible: El vértice A es solución del sistema 6x + 3y = 30 x = 0 Por tanto, A(0, 10) El vértice B es solución de 6x + 3y = 30 2x + 8y = 24 Por tanto, B(4, 2) Y A La región factible no está acotada Región Factible El vértice C es solución de 2x + 8y = 24 y = 0 Por tanto, C(12, 0) 2 B C X

31 Resolvemos por el método analítico Evaluamos la función objetivo z en los vértices. Vértice A(0, 10) z = 50x + 100y z = = = = Y B(4, 2) C(12, 0) z = = = = 400 z = = = = A(0, 10) Región Factible El coste mínimo se obtiene en B. 4 Solución: x = 4 anuncios en pr. corazón y = 2 anuncios en futbol Coste z = U$400 (mil ) 2 B(4, 2) C(12, 0) X

32 Resolvemos por el método gráfico Min z = 50 x + 100y Y s.a. 6x + 3y x + 8y 24 x, y 0 12 El coste mínimo se obtiene en el punto B. Z = 600 Z = A(0, 10) Región Factible 4 Solución: x = 4 anuncios en pr. corazón y = 2 anuncios en futbol Coste z = 400 (mil ) 2 B(4, 2) C(12, 0) X

33 RESOLVER EL SIGUIENTE PROBLEMA DE PL(TAREA) 33 Un fabricante produce mesas (X) y escritorios (Y). Para cada mesa que produce requiere 2 horas y media de montaje, tres horas de pulido y una hora de embalaje. Asimismo, para cada escritorio se requiere una hora de montaje, tres horas de pulido y dos horas de embalaje. Estas secciones presentan las siguientes limitaciones: la unidad de montaje trabaja, como máximo 20 horas al día; la unidad de pulido como máximo 15 horas al día; la unidad de embalaje como máximo 16 horas al día. El fabricante trabaja con un margen de beneficios de U$25 por mesa producida y U$40 por cada escritorio, Plantear el modelo de programación Matemático en el caso que el fabricante pretenda maximizar beneficios. Copyright (c) 2004 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc.

34 Solución óptima Si la región factible es cerrada la solución óptima está en un vértice del polígono (cuando es única) o todo un lado del polígono (infinitas soluciones) Si la región factible es abierta, puede haber solución única (en un vértice), infinitas soluciones (todo un lado) o no tener solución 34 Copyright (c) 2004 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc.

35 35 Número de Soluciones de un PPL Los dos ejemplos anteriores, hasta ahora estudiados tienen, cada uno, una única solución óptima. No en todos los PPL ocurre esto. Se pueden dar también las siguientes posibilidades: Algunos PPL tienen un número infinito de soluciones óptimas (alternativas o múltiples soluciones óptimas). Algunos PPL no tienen soluciones factibles (no tienen región factible). Algunos PPL son no acotados: Existen puntos en la región factible con valores de z arbitrariamente grandes (en un problema de maximización). Veamos un ejemplo de cada caso. Copyright (c) 2004 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc.

36 Número de soluciones de un problema de programación lineal Para un problema de minimización Solución única Solución de arista: infinitas soluciones No hay mínimo 36 Copyright (c) 2004 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc.

37 Para un problema de maximización Solución única Solución de arista: infinitas soluciones No hay máximo 37 Copyright (c) 2004 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc.

38 Número infinito de soluciones óptimas Consideremos el siguiente problema: max z = 3x + 2y Y C s.a: 3x + 2y 120 x + y 50 x, y 0 Cualquier punto (solución) situado en el segmento AB puede ser una solución óptima de z = Región Factible z = 60 B z = 100 z = A 50 X

39 Consideremos el siguiente problema: max z = 3x 1 + 2x 2 s.a: 3x + 2y 120 x + y 50 x 30 y 30 x, y 0 Sin soluciones factibles Y x + y 50 No existe Región Factible x 30 y x + 2y 120 No existe región factible X

40 max z = 2x y s.a: x y 1 2x + y 6 x, y 0 PPL no acotado 6 5 Y Región Factible La región factible es no acotada. Se muestran en el gráfico las rectas de nivel para z = 4 y z = 6. Pero podemos desplazar las rectas de nivel hacia la derecha indefinidamente sin abandonar la región factible. Por tanto, el valor de z puede crecer indefinidamente z = z = 6 5 X

41 Resumen Función objetivo Optimizar (maximizar o minimizar) z = a x + by sujeta a las siguientes restricciones a 1x + b 1 y d 1 a 2 x + b 2 y d a n x + b n y d n Solución posible: cualquier par de valores (x 1, y 1 ) que cumpla todas la restricciones. Al conjunto de soluciones posibles de un problema lineal se le llama región factible. Solución óptima: un par de valores (x 1, y 1 ), si existe, que hace máxima o mínima la función objetivo Tener solución única Tener infinitas soluciones No tener solución Un problema de programación lineal puede:

42 FIN INVESTIGACION DE OPERACIONES JRVA- 2010

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