Apuntes – tema 6

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UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS

Facultad de Ingeniería Civil

OPERACIONAL Y NUMÉRICOS

Apuntes – tema 6

Grupo 5B

Daniela Camila Rocha Vargas – Cod: 2151072

Docente: Ing. Carlos Jesús Alba

1. INVESTIGACIÓN OPERACIONAL

La Investigación Operacional es una disciplina moderna que utiliza modelos matemáticos, estadísticos y algoritmos para modelar y resolver problemas complejos, determinando la solución óptima y mejorando la toma de decisiones. Actualmente la Investigación Operacional incluye gran cantidad de ramas como la Programación Lineal, Programación No Lineal, Programación Dinámica, Simulación, Teoría de Colas, Teoría de Inventarios, Teoría de Grafos, etc. En este trabajo hablaremos a fondo de una rama muy importante como lo es la programación lineal (restringida y no restringida).

Cuando se habla de las soluciones óptimas que se buscan en la investigación operacional nos podemos dirigir y es de gran necesidad hablar del tema de la optimización, a continuación se explicará la aplicación de la optimización en la solución de problemas complejos.

1.1. OPTIMIZACIÓN

La optimización puede ser definida como el proceso por el cual se pueden ajustar los datos

y parámetros (ENTRADA) de un problema o proceso matemático con el fin de encontrar

un resultado, ya sea mínimo o máximo (SALIDA); es decir:

Como se ha venido diciendo, en la optimización el objetico principal es la búsqueda de un

valor óptimo ya sea el mínimo o el máximo, es importante también mencionar que la

optimización es aplicada por su gran utilidad y facilidad en el desarrollo de algunos

problemas complejos.

La Optimización puede ser solucionada de diferentes métodos, en el siguiente esquema se

muestran algunos de los métodos de solución:

ENTRADA FUNCIÓN SALIDA

OPTIMIZACIÓN

PROGRAMACIÓN

LINEAL

PROGRAMACIÓN

DE PROCESOS MODELOS DE

TRANSPORTE

1.1.1. APLICACIÓN DE LA OPTIMIZACIÓN EN LA INGENIERÍA

La optimización en la ingeniería es de gran utilidad ya que por medio de este proceso

se busca el valor óptimo, es decir el mejor resultado para la solución del problema. En

la práctica profesional de cualquier ingeniero se presentan múltiples problemas en los

que continuamente deben diseñar dispositivos o productos que realicen diferentes

tareas de manera eficiente. Para la elaboración de estos dispositivos o productos el

ingeniero se ve sometido a enfrentarse con las limitaciones que el medio les

proporciona, para la solución de estos problemas utilizan la optimización para que les

ayuden a aumentar beneficios y minimizar costos.

1.1.2. CARACTERÍSTICAS DE UN PROBLEMA DE OPTIMIZACIÓN

Un problema de optimización se caracteriza por los siguientes aspectos:

1.1.3. PROCESO PARA SOLUCIONAR UN PROBLEMA DE OPTIMIZACIÓN

El procedimiento que se utiliza para la solución de un problema por medio de la

Optimización se muestra en el siguiente esquema:

FUNCIÓN OBJETIVO

VARIABLES DE DISEÑO

RESTRICCIONES

VALORES DEL

PROBLEMA

PROBLEMA

REAL DATOS

MODELO

MATEMÁTICO

LEY DE

INGENIERÍA

SOLUCIÓN

MÉTODOS

NUMÉRICOS

RESULTADOS

VERIFICACIÓN

INTERPRETACIÓN

COMPROBACIÓN SOLUCIÓN DEL

PROBLEMA

1.1.4. CLASIFICACIÓN DE LA OPTIMIZACIÓN

La optimización se clasifica según el comportamiento de la función f(x) y las

restricciones que presenta el problema, a continuación se presentan las tres

clasificaciones de la optimización:

1.1.4.1. PROGRAMACIÓN LINEAL

La programación lineal es una técnica matemática de gran utilidad que consiste en una

serie de procedimientos y métodos que permiten resolver problemas de optimización

en varios ámbitos en especial en áreas de la ingeniería.

La programación lineal puede ser restringida y no restringida dependiendo de las

características del problema a solucionar:

Programación Lineal No Restringida (PLNR)

La programación lineal no restringida se caracteriza como su nombre lo dice

porque el problema no está limitado por restricciones sino que presenta la

función objetivo a maximizar o minimizar, es decir, encontrar el valor óptimo.

Para ejemplarizar un poco más lo que se ha venido hablando de la

Programación Lineal No Restringida utilizamos la siguiente función:

𝒚 = 𝟐 ∗ 𝒔𝒆𝒏(𝒙) −𝒙𝟐

𝟏𝟎

SI f(x) y las Restricciones

son lineales:

Problema de

Programación Lineal

SI f(x) es cuadrática y las

Restricciones son

lineales:

SI f(x) y las Restricciones

no son lineales:

Problema de

Programación

Cuadrática

Problema de

Programación No

Lineal

FUNCIÓN OBJETIVO

Para la solución de esta función, hallaremos el máximo y el mínimo por medio del

software EULER MATH TOOLBOX.

Para la solución de Problemas de Programación lineal se utiliza la siguiente ecuación, utilizando la

interpolación cuadrática:

𝐸𝑐. 6.1 x3 =fx0(x1

2-x22) + fx1(x2

2-x02) + fx2(x0

2-x12)

2fx0(x1-x2) + 2fx1(x2-x0) + 2fx2(x0-x1)

Comando para

hallar el valor

máximo

Programación Lineal Restringida (PLR)

La programación Lineal Restringida se caracteriza porque el problema a

solucionar está limitado por una o varias restricciones que complican más el

proceso para la solución. Es importante reconocer la función Objetivo, las

Variables y las Restricciones dadas por el problema.

Para entender la solución de problemas de la (PLR) , utilizamos el siguiente

problema:

PROBLEMA

Una planta de concreto recibe semanalmente una cantidad fija de materia

prima con la cual produce 2 tipos de concreto (CALIDAD EXTRA Y NORMAL).

La planta tiene garantizada la venta de su producción, por otra parte la

producción de concreto involucra restricciones en el uso de recursos y

además:

1. No puede producirse simultáneamente dos tipos de concretos.

2. Existen limitaciones de almacenamiento de la producción y

disponibilidad de materia prima.

3. El beneficio unitario de cada calidad de concreto es diferente para

cada uno.

DETERMINAR LA PRODUCCIÓN COMBINADA QUE GENERE EL MAYOR

BENEFICIO CONSIDERANDO LOS SIGUIENTES DATOS.

SOLUCIÓN

Para la solución del problema se deben identificar las características del problema y para ello se

organizan los datos proporcionados en la siguiente tabla.

IDENTIFICACIÓN DE VARIABLES:

X1: “Cantidad (Toneladas) de Producto Normal”

X2: “Cantidad (Toneladas) de Producto Extra”

FUNCIÓN OBJETIVO:

RESTRICCIONES:

Materia Prima: (7X1+11X2 ≤ 77)

Tiempo Planta: (10X1+8X2 ≤ 80)

Almacenamiento:

ALP1: Calidad Normal (X1 ≤ 9)

ALP2: Calidad Extra (X2 ≤ 6)

No Negatividad:

X1 ≥ 0

X2 ≥ 0

Luego de tener claras las condiciones propuestas por el problema, es necesario despejar

de la primera restricción a X2 para poder graficar la función.

𝑋2 =−10 ∗ 𝑋1

8+ 10

Por medio de la aplicación para graficar y encontrar máximos y mínimos GEOGEBRA se

grafican las restricciones y obtenemos la siguiente figura.

ALP1 X=9

ALP2 Y=6

𝒁 = 𝟏𝟓𝟎𝑿𝟏 + 𝟏𝟕𝟓𝑿𝟐

La figura sombreada expresa el área de factibilidad, es decir que en esta zona se están

cumpliendo todas las condiciones del problema, el último valor donde todas las condiciones se

cumplen es justamente en el punto del valor Óptimo mostrado en la figura.

Cuando se conoce el valor óptimo, es decir el valor de las variables en donde se encuentra el

mayor beneficio se procede a calcular la función objetivo, reemplazando dicha coordenada en la

función objetivo.

𝒁 = 𝟏𝟓𝟎 ∗ (𝟒, 𝟖𝟗) + 𝟏𝟕𝟓 ∗ (𝟑, 𝟖𝟗)

Para la solución de éste problema también se puede utilizar un método que es de gran utilidad.

MÉTODO DE SIMPLEX

El método de Simplex se identifica porque por medio de éste se calcula el

valor de Z en cada esquina del área factible.

FUNCIÓN OBJETIVO

VALOR ÓPTIMO

VALOR ÓPTIMO

(4.89, 3.89)

(

𝒁 = 𝟏𝟒𝟏𝟒, 𝟐𝟓

MÁXIMO DE UTILIDAD

ÁREA DE

FACTIBILIDA

D

Éste método convierte las desigualdades en igualdades generando unas

variable que compensan la ecuación conocidas como variables de Holgura.

Como ya se había dicho, el método trabaja por esquinas y busca en cada

esquina el valor de que variable eliminar.

Para la explicación de éste método se utiliza el problema anterior, se plantean

las siguientes restricciones teniendo en cuenta las variables de Holgura.

Materia prima: (7X1+11X2 + S1 ≤ 77)

Tiempo Planta: (10X1+8X2 +S2 ≤ 80)

Almacenamiento:

ALP1: Calidad Normal (X1+S3 = 9)

ALP2: Calidad Extra (X2+S4 =6)

METODO DE PHP SIMPLEX

El método de PHP SIMPLEX es un método de gran utilidad ya que por medio

de él se encuentran soluciones finales y operaciones inmediatas. Existe una

página de internet que es llamada PHP SIMPLEX y es una herramienta online

para resolver éste tipo de problemas.

En este caso utilizamos el problema con el que se viene trabajando y EXCEL,

aplicando un comando en especial llamado SOLVER y que se encuentra en la

paleta datos donde se pueden ingresar las condiciones del problema, y pedir

que la solución se haga con PHP SIMPLEX, el programa de inmediato arroja el

valor de los valores de las variables que permiten conocer el valor óptimo, es

decir, LA MAYOR UTILIDAD.

𝑭𝒖𝒏𝒄𝒊ó𝒏 𝑶𝒃𝒋𝒆𝒕𝒊𝒗𝒐

𝒁 = 𝟏𝟓𝟎𝑿𝟏 + 𝟏𝟕𝟓𝑿𝟐

SOLUCIÓN

Para la solución de éste problema por medio de PHP SIMPLEX tambien se

puede utilizar el software EULER MATH TOOLBOX utilizando unos comandos

en especial que permiten la solución del mismo hallando el valor máximo y el

área de factibilidad. En la siguiente imagen se muestran los comandos

utilizados y el esquema utilizado para la solución:

ÁREA DE

FACTIBILIDAD

Para la solución de problemas de optimización también se utiliza un método de gran utilidad que

es llamado:

MODELO DE TRANSPORTE

El modelo de transporte es un método para la solución de problemas de

Optimización, por medio del cual se consideran nodos o puntos desde un

ORIGEN (OFERTA) los cuales transportan bienes o servicios hasta unos puntos

de DESTINO (DEMANDA), con el objetivo de determinar el costo mínimo del

transporte.

Para la solución por medio de éste método se utiliza la siguiente ecuación para definir la Función

Objetivo:

𝐄𝐜. 𝟕. 𝟏 𝐌𝐢𝐧𝐢𝐦𝐢𝐳𝐚𝐫 ∑ ∑ 𝐜𝐢𝐣 ∗ 𝐱𝐢𝐣

𝐧

𝐣=𝟏

𝐦

𝐢=𝟏

Para determinar las restricciones se utilizan las siguientes ecuaciones.

1

2

3

m n

3

2

1

ORIGEN (oferta) DESTINO (Demanda)

FUNCIÓN OBJETIVO

Xij Cij

𝑬𝒄. 𝟕. 𝟐 ∑ 𝐱𝐢𝐣 ≤ 𝐚𝐢𝐣

𝐧

𝐣=𝟏

𝑬𝒄. 𝟕. 𝟑 ∑ 𝐱𝐢𝐣 ≤ 𝐛𝐢𝐣

𝐦

𝐢=𝟏

𝐄𝐜. 𝟕. 𝟒 𝐱𝐢𝐣 ≥ 𝟎

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS:

Apuntes del cuaderno.

Steven C. Chapra, Ph.D., Métodos Numéricos para Ingenieros, Profesor de

Ingeniería Civil, Universidad Texas A&M.

Material de apoyo de Moodle.

RESTRICCIONES