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Introducción a la programación lineal




Enviado por Pablo Turmero



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    – Un problema de Programación Lineal se presenta en
    entornos económicos en el que hay que gestionar una serie
    de recursos para realizar una determinada actividad, utilizando
    para ello un criterio de tipo económico. (Gp:) 1.
    Definición – En un problema de Programación Lineal
    existen diferentes soluciones y un criterio para discriminar
    entre ellas con el objetivo de encontrar la mejor. A este proceso
    de búsqueda se le denomina Optimización. Optimizar
    significa poco más que mejorar; en el contexto
    científico la optimización es el proceso de tratar
    de encontrar la mejor solución posible para un determinado
    problema. Los problemas de Programación Lineal pueden
    considerarse o denominarse como problemas de optimización,
    si bien, esta denominación recoge un rango más
    amplio de problemas.

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    (Gp:) 1. Definición – De forma más precisa, estos
    problemas se trata de calcular el valor de unas variables que
    están sujetas a una serie de restricciones y para las que
    una determinada función objetivo alcanza su valor
    máximo o mínimo. – El criterio o función
    objetivo en un problema PL va referido a la minimización
    de los costes de la actividad, o a la maximización de
    beneficios. – Los problemas de Programación Lineal se
    expresan mediante un conjunto de relaciones matemáticas
    que se conoce como modelo. – El esfuerzo se centra tanto en la
    construcción del modelo como en la resolución del
    mismo.

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    Un problema de Programación Lineal está formado por
    tres componentes principales: Un conjunto de variables: Referidas
    a la actividad que se desarrolla en el sistema que se quiere
    optimizar. Notación: x1, x2, x3, …. Un conjunto de
    restricciones: Expresan la relación entre el consumo de
    recursos y las limitaciones de los mismos, así como toda
    clase de características que hay que imponer en el
    problema y que están asociadas a la actividad que se
    realiza en el sistema. Ejemplo: x1+ x2 ? 3 Una función
    objetivo: Criterio que se desea optimizar Ejemplo: Maximizar x1 +
    3×2 (Gp:) 1. Definición

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    Los problemas de optimización dependen fundamentalmente
    para su resolución del tipo de variables que forman parte
    del mismo y del carácter lineal o no lineal de las
    restricciones. Problemas Lineales (Función Objetivo y
    Restricciones lineales) No Lineales (Función Objetivo y/o
    restricciones no lineales) Continuos (Vbles. continuas) Enteros
    (vbles. enteras) [Entera mixta (vbles. enteras y continuas)]
    PROGRAMACIÓN LINEAL [CONTINUA] PROGRAMACIÓN ENTERA
    (Gp:) 1. Definición

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    (Gp:) 1. Definición

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    (Gp:) 2. Un primer ejemplo Un fabricante de mantequilla desea
    optimizar la producción diaria de su factoría.
    Fabrica dos tipos de mantequilla (Estándar y Media Sal).
    Un Kilo de mantequilla Estándar proporciona un beneficio
    de 10 € y uno de MediaSal de 15 €. Para la
    producción de mantequillas se usan tres procesos,
    pasterización, centrifugado, y batido. La capacidad de
    pasterización es de 6horas/día, de centrifugado es
    de 3horas/día y de batido es de 3.5horas/día. Los
    tiempos(en minutos) de proceso por cada kilo de mantequilla se
    recogen en la siguiente tabla:

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    Identificación de componentes Variables asociadas a la
    actividad: Cantidad de mantequilla Estándar a producir por
    día: x1 Cantidad de mantequilla Media Sal a producir por
    día: x2 Objetivo: Maximizar el beneficio (Gp:) 2. Un
    primer ejemplo (Gp:) 2. Un primer ejemplo (Gp:) 2.1.
    Construcción del modelo Restricciones: – Limitación
    de las horas de pasterización – Limitación de las
    horas de centrifugado – Limitación de las horas de batido
    Recursos: – Tiempo de pasterización – Tiempo de
    centrifugado – Tiempo de batido

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    Semántica de la restricción: Consumo ? Capacidad 1
    Kg Estándar consume 3 minutos de pasterización 2 Kg
    Estándar consumen 6 minutos(3?2) de pasterización
    ….. x1 Kgs Estándar consumen 3?x1minutos de
    pasterización Idéntico análisis para Kgs de
    Media Sal: 8?x2 Consumo Total = 3?x1 + 8?x2 minutos Capacidad = 6
    horas = 360 minutos Restricción completa: 3?x1 + 8?x2 ?
    360 (Gp:) 2. Un primer ejemplo (Gp:) 2. Un primer ejemplo (Gp:)
    2.1. Construcción del modelo Restricciones:
    Expresión matemática – Limitación de las
    horas de pasterización (Gp:) Misma Unidad –
    Análisis equivalente para el resto de restricciones

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    Objetivo: Maximizar los beneficios: 1 Kg Estándar ?
    Beneficio = 10 2 Kg Estándar ? Beneficio = 10?2 = 20
    …………. x1 Kg Estándar ? Beneficio = 10?x1
    Idéntico análisis para Media Sal: 15?x2 Beneficio
    Total = 10 * x1 + 15 * x2 Función Objetivo:
    Expresión matemática (Gp:) 2. Un primer ejemplo
    (Gp:) 2. Un primer ejemplo (Gp:) 2.1. Construcción del
    modelo Expresión: Max 10?x1 + 15?x2

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    Modelo: x1 : Kilos de mantequilla Estándar x2 : Kilos de
    mantequilla Media Sal Función Objetivo: Rest. Recurso
    pasterización: Rest. Recurso centrifugado: Rest. Recurso
    batido: Signo de las variables: (Gp:) 2. Un primer ejemplo (Gp:)
    2. Un primer ejemplo (Gp:) 2.1. Construcción del modelo
    Variables: ? Expresiones Lineales ? Variables continuas Modelo
    lineal Programación lineal continua

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    20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 10 10 20 30 40 50
    60 70 80 90 100 x1 x2 (Gp:) 2. Un primer ejemplo (Gp:) 2. Un
    primer ejemplo (Gp:) 2.2. La geometría del modelo
    Representación de una restricción: Es un
    semiespacio del espacio de ?2 El semiespacio se define por la
    recta que expresa la restricción con signo de igualdad
    SEMIESPACIO NO ADMISIBLE SEMIESPACIO ADMISIBLE

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    20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 10 10 20 30 40 50
    60 70 80 90 100 x1 x2 R2 R1 R3 Región de admisibilidad
    convexa (Gp:) 2. Un primer ejemplo (Gp:) 2. Un primer ejemplo
    (Gp:) 2.2. La geometría del modelo

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    (R1) (R3) 20 30 40 50 60 70 10 10 20 30 40 50 x1 x2 (R2) z=0
    z=100 Dirección de máxima mejora (Gp:) 2. Un primer
    ejemplo (Gp:) 2. Un primer ejemplo (Gp:) 2.2. La geometría
    del modelo

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    20 30 40 50 60 70 10 10 20 30 40 50 x1 x2 Óptimo ? Punto
    interior (Gp:) 2. Un primer ejemplo (Gp:) 2. Un primer ejemplo
    (Gp:) 2.2. La geometría del modelo Siguiendo la
    dirección de máxima mejora desde cualquier punto
    interior podré ir a otro punto con mejor valor de la F.O.
    Por tanto, el Óptimo debe estar en la frontera de la
    región.

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    ?: Ángulo agudo = Mejora ?: Ángulo obtuso =
    Empeoramiento Óptimo ? Vértice (Gp:) 2. Un primer
    ejemplo (Gp:) 2. Un primer ejemplo (Gp:) 2.2. La geometría
    del modelo Óptimo ? Punto interior de una arista*

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    Vértice óptimo (Gp:) 2. Un primer ejemplo (Gp:) 2.
    Un primer ejemplo (Gp:) 2.2. La geometría del modelo

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    (Gp:) 20 (Gp:) 30 (Gp:) 40 (Gp:) 50 (Gp:) 60 (Gp:) 70 (Gp:) 10
    (Gp:) 10 (Gp:) 20 (Gp:) 30 (Gp:) 40 (Gp:) 50 (Gp:) x1 (Gp:) x2
    Variables de holgura V1 V2 V3 V4 V5 (Gp:) 2. Un primer ejemplo
    (Gp:) 2. Un primer ejemplo (Gp:) 2.3. El álgebra del
    modelo m = Número de restricciones n = Número de
    variables

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    Características generales de un vértice (Gp:) 20
    (Gp:) 30 (Gp:) 40 (Gp:) 50 (Gp:) 60 (Gp:) 70 (Gp:) 10 (Gp:) 10
    (Gp:) 20 (Gp:) 30 (Gp:) 40 (Gp:) 50 (Gp:) x1 (Gp:) x2 (Gp:) V1
    (Gp:) V2 (Gp:) V3 (Gp:) V4 (Gp:) V5 (Gp:) x1?; x2=0 (Gp:) x2?
    x1=0 El número de variables (?0) es igual a m ? ? Vbles
    BÁSICAS El número de variables = 0 es igual a (n-m)
    ? ? Vbles NO BÁSICAS Se intercambian una a una desde un
    vértice a otro adyacente V1 (x1=0; x2=0;
    h1>0;h2>0;h3>0) V2 (x1=0; x2>0; h1=0;h2>0;h3>0)
    V3 (x1>0; x2>0; h1=0;h2>0;h3=0) V4 (x1>0; x2>0;
    h1>0;h2=0;h3=0) V5 (x1>0; x2=0; h1>0;h2=0;h3>0) (Gp:)
    2. Un primer ejemplo (Gp:) 2. Un primer ejemplo (Gp:) 2.3. El
    álgebra del modelo Variables: n=5 Restricciones: m=3

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    Vértice V1: x1=x2=0 (n-m) h1>0; h2>0;h3>0 (m)
    Restricciones: h1=360 h2=180 h3=210 (x1 x2 h1 h2 h3) (0 0 360 180
    210) Valor de la F.O. en V1 = 0 + 0 = 0 Dos cuestiones:
    Cómo me desplazo hacia un vértice adyacente?
    Cómo averiguo si un vértice es el óptimo?
    Variables: n=5 Restricciones: m=3 (Gp:) 2. Un primer ejemplo
    (Gp:) 2. Un primer ejemplo (Gp:) 2.3. El álgebra del
    modelo

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    Cómo me desplazo hacia un vértice adyacente?
    EJEMPLO: V1 ? V2 Me desplazo por la arista hasta topar con el
    siguiente vértice x2? hasta que alguna de las variables
    que son >0 en V1 se haga = 0 Durante el desplazamiento la otra
    variable que es = 0 en V1 permanece a 0 en toda la arista Paso 1.
    Calcular el vértice destino Paso 2. Preparar las
    restricciones para un desplazamiento posterior Paso 1: Calcular
    el vértice destino (Gp:) 2. Un primer ejemplo (Gp:) 2. Un
    primer ejemplo (Gp:) 2.3. El álgebra del modelo

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    (x1 x2 h1 h2 h3) = (0 45 0 90 30) Vértice V2 Valor de la
    F.O. En V2 = 10×1 + 15×2 = = 0 + 675 = 675 (Gp:) 2. Un primer
    ejemplo (Gp:) 2. Un primer ejemplo (Gp:) 2.3. El álgebra
    del modelo

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    Paso 2. Preparar las restricciones para un nuevo desplazamiento:
    Hay que realizar transformaciones lineales en las restricciones
    hasta conseguir la matriz identidad en las columnas de las
    variables básicas del vértice en el que me
    encuentro. Parto de las expresiones de las restricciones del
    vértice anterior V1 V1 ? V2 (Gp:) 2. Un primer ejemplo
    (Gp:) 2. Un primer ejemplo (Gp:) 2.3. El álgebra del
    modelo

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    Para responder a esta pregunta tengo que expresar la F.O.en
    función de las variables que valen 0 en el vértice.
    Coste relativo = Índice que me indica si el incremento de
    esa variable produce mejora en la F.O. Si Índice > 0 ?
    Mejoro si me desplazo por esa arista Si Índice < 0 ?
    Empeoro x1? ?Mejoro con tasa 35/8 h1? ?Empeoro con tasa 15/8 Si
    en el vértice al que llego los índices de la
    expresión de la F.O. en ese vértice son todos
    negativos (en un problema de maximizar), dicho vértice es
    el óptimo del problema El vértice al que he llegado
    es óptimo? (Gp:) 2. Un primer ejemplo (Gp:) 2. Un primer
    ejemplo (Gp:) 2.3. El álgebra del modelo

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    (Gp:) 3. Ejercicios Para los sistemas productivos que aparecen a
    continuación: Obtenga el modelo matemático del
    problema Represente gráficamente las restricciones
    Identifique geométricamente el vértice
    óptimo Realice el recorrido algebraico por los
    vértices hasta alcanzar el vértice
    óptimo

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    (Gp:) 3. Ejercicios Un artesano alfarero desea optimizar la
    producción diaria de su taller de alfarería.
    Fabrica dos tipos de ánforas (Anforas1 y Anforas2). Para
    ello utiliza un proceso de producción simple. Emplea dos
    tipos de arcilla (arcilla A y arcilla B) que mezcla en las
    proporciones adecuadas, les da forma durante un cierto tiempo y
    las pone a secar en el horno que posee hasta el día
    siguiente. El alfarero vende posteriormente las ánforas1 a
    100u.m. Y las ánforas2 a 250u.m. El horno posee una
    capacidad para 144 ánforas. Diariamente, dispone de 300 Kg
    de arcilla A y 16 Kg de arcilla B, y 15 horas de trabajo
    (él y su hijo). Las proporciones de arcilla A y B y el
    tiempo que necesita cada ánfora se recogen en la siguiente
    tabla: Ejercicio 1

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    (Gp:) 3. Ejercicios Un fabricante de baldosas desea optimizar la
    producción semanal de su factoría. Fabrica dos
    tipos de baldosas (Estándar y Lujo). Una baldosa
    Estándar proporciona un beneficio de 10 € y una Lujo
    de 15 €. Para la producción de baldosas se usan tres
    procesos, apomozado, pulido y abrillantado. La capacidad de
    apomazado es de 200horas/semana, de pulido es de 80horas/semana y
    la de abrillantado de 60horas/semana. Además, cada baldosa
    Estándar emplea 25mg de una sustancia para su limpieza por
    10 de la baldosa Lujo. Se disponen de 1,2Kg por semana de esa
    sustancia. Los tiempos de pulido y abrillantado(en horas) por
    cada unidad se recogen en la siguiente tabla: Ejercicio 2

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