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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA SAN FRANCISCO

ESCUELA DE POSGRADO

JIMMY OJEDA ARNICA

Arequipa – Perú

2017

LINEAMIENTOS BÁSICOS DE

INVESTIGACIÓN DE OPERACIONES

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1

INTRODUCCIÓN

El Texto Universitario “Lineamientos Básicos de Investigación de Operaciones”,

trata de presentar en forma detallada y práctica, los conceptos y la importancia

de los fundamentos generales de la Programación Lineal en la Investigación de

Operaciones, que pueden tener aplicación práctica en la toma de decisiones de

las instituciones y personas naturales dedicadas al trabajo industrial, procesos,

proyectos, seguridad, etc., que son absoluta e imprescindiblemente necesarios

para la marcha de las entidades en general y para el logro de sus objetivos de

desarrollo en particular.

Sirve para dar a conocer al público en general y a los estudiosos en particular,

que la investigación de operaciones, basa sus análisis y verificaciones, en los

razonamientos lógicos y matemáticos de las actividades de la carrera

profesional, de acuerdo a los diversos procedimientos que debe seguir cada uno

de ellos.

Los conceptos generales de esta ciencia aplicada, permiten que después de una

visión más orgánica de cada parte de los métodos cuantitativos, puedan hacer

sus propias síntesis y enfoques, como es propio de un estudio de nivel

universitario, con sentido de investigación, posibilitando a la vez el estricto

cumplimiento de cada principio, en su aplicación sustentada.

Dentro de la finalidad de esta publicación, está la de poder manejar la

matemática básica y su aplicación didáctica, académica, científica y profesional,

pues la matemática es universal y a la vez particular, porque fuera de los

lineamientos generales y universales, cada especialidad tiene un código que

norma sus actividades, leyes y costumbres propias, que difieren unas de otras,

y de acuerdo a las necesidades técnicas y pedagógicas particulares.

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El objetivo de esta disciplina es que las personas dedicadas a la producción

empresarial, aprendan a reconocer los problemas tipo de la Investigación de

Operaciones, de modo que sepa a qué técnico recurrir en cada caso, para un

adecuado estudio y solución del mismo.

Como su nombre lo indica, la Investigación de Operaciones (IO), o Investigación

Operativa, es la investigación de las operaciones a realizar para el logro óptimo

de los objetivos de un sistema o la mejora del mismo. Esta disciplina brinda y

utiliza la metodología científica en la búsqueda de soluciones óptimas, como

apoyo en los procesos de decisión, en cuanto a lo que se refiere a la toma de

decisiones óptimas y en sistemas que se originan en la vida real.

Cuando una persona se enfrenta por vez primera con el término Investigación de

Operaciones, no suele ser conocedora de las características específicas de esta

ciencia ni de su objeto de estudio. Además, la Investigación Operativa puede

tener componentes muy diversos dependiendo de su área de aplicación

concreta: Administración de Empresas, Ingeniería u otras. El objeto de estudio

de la Investigación Operativa es la toma científica de decisiones mediante el

empleo de técnicas cuantitativas. Es importante tener esta definición clara y, de

esta forma, nos daremos cuenta de la amplitud de campo de la Investigación

Operativa (IO).

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ÍNDICE

CAPÍTULO I: DEFINICIÓN Y SIGNIFICADO DE INVESTIGACIÓN DE OPERACIONES ......... 5

A. INVESTIGACIÓN DE OPERACIONES ................................................................................. 5 B. FASES DE LA INVESTIGACIÓN OPERACIONAL ............................................................... 6

1. Formulación del Problema ................................................................................................ 6 2. Construcción del Modelo del Sistema ............................................................................... 7 3. Cálculo de la solución a través del modelo ....................................................................... 8

C. HISTORIA DE LA INVESTIGACIÓN DE OPERACIONES .................................................... 9 1. Objetivos .......................................................................................................................... 10 2. Aspectos que estudia la I.O. ........................................................................................... 11 3. Orígenes de la I.O. .......................................................................................................... 11 4. Desarrollo ........................................................................................................................ 11

CAPÍTULO II: PROGRAMACIÓN LINEAL ................................................................................ 12

A. INTRODUCCIÓN A LA PROGRAMACIÓN ......................................................................... 12 B. PROGRAMACIÓN LINEAL ................................................................................................. 13

1. Test del modelo y de la solución ..................................................................................... 15 2. Establecimiento de controles de solución ....................................................................... 15 3. Implementación y seguimiento ........................................................................................ 15 4. Aplicaciones .................................................................................................................... 15

C. MÉTODO SIMPLEX ............................................................................................................ 24 1. Objetivo ........................................................................................................................... 25 2. Características ................................................................................................................. 26 3. Preparando el modelo para adaptarlo al método Simplex .............................................. 26 4. Tipo de optimización ....................................................................................................... 27 5. Cambio de signo de los términos independientes .......................................................... 29 6. Normalización de las restricciones .................................................................................. 30 7. Desarrollando el método Simplex ................................................................................... 32 8. Problema de aplicación ................................................................................................... 37 9. Ejemplo práctico .............................................................................................................. 39

D. MÉTODO SIMPLEX DOS FASES....................................................................................... 42 E. IDENTIFICANDO CASOS ANÓMALOS Y SOLUCIONES ................................................................... 45

1. Ejemplo de aplicación ..................................................................................................... 47 F. INTERPRETACIÓN GRÁFICA DEL MÉTODO SIMPLEX ................................................................... 54

Ejemplo método gráfico ....................................................................................................... 55 G. COMPARACIÓN DEL MÉTODO GRÁFICO Y EL MÉTODO SIMPLEX ................................................. 58 H. SOLVER .............................................................................................................................. 62

1. ¿Qué es Solver?.............................................................................................................. 62 2. Complemento SOLVER para Excel (2013 y posteriores) ............................................... 62 3. Ejemplo de uso de Solver ............................................................................................... 66

I. DUALIDAD EN PROGRAMACIÓN LINEAL ......................................................................... 70 1. Relaciones entre problemas primales y duales .............................................................. 70

J. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD ............................................................................................. 74

CAPÍTULO III: MODELOS DE PERT-CPM ................................................................................ 84

PERT ....................................................................................................................................... 84 CPM ......................................................................................................................................... 84 ASPECTOS GENERALES PERT ............................................................................................ 85 ASPECTOS GENERALES CPM ............................................................................................. 85 TERMINOLOGIA PERT/CPM ................................................................................................. 86 ESTRUCTURA DE RED .......................................................................................................... 87

1. Características ................................................................................................................. 87

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2. Diagrama de red .............................................................................................................. 88 ANALISIS DE UNA RED PERT/CPM ...................................................................................... 91

1. Sharp Company ........................................................................................................... 91 2. Cálculos básicos de la programación.......................................................................... 92 3. Importancia de conocer la fecha de término ................................................................... 92 4. Ruta critica ....................................................................................................................... 93 5. Para el caso de la Sharp Company................................................................................. 93 6. Revisión hacia delante .................................................................................................... 94 7. Definición de terminación y notación............................................................................... 94 8. Revisión hacia atrás ........................................................................................................ 97 9. Definición de términos y notación ................................................................................... 97 10. Tiempo de holgura (flotante) ......................................................................................... 99 11. Resumen de los Cálculos Pert/CPM ........................................................................... 100 12. Incertidumbre en una red PERT/CPM......................................................................... 101 13. Comentarios ................................................................................................................ 103 14. Variabilidad en los Tiempos de las Actividades .......................................................... 103 15. Variabilidad en la fecha de terminación del proyecto.................................................. 106

CONCLUSIONES...................................................................................................................... 109

CUESTIONARIOS .................................................................................................................... 110

REFERENCIAS ......................................................................................................................... 111

A. BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................................................. 111 B. DIGITALES ........................................................................................................................... 112

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CAPÍTULO I: DEFINICIÓN Y SIGNIFICADO DE INVESTIGACIÓN DE

OPERACIONES

A. INVESTIGACIÓN DE OPERACIONES

La Investigación de Operaciones (IO) o Investigación Operativa es una rama

de las matemáticas que hace uso de modelos matemáticos y algoritmos con

el objetivo de ser usado como apoyo a la toma de decisiones. Se busca que

las soluciones obtenidas sean significativamente más eficientes (en tiempo,

recursos, beneficios, costos, etc.) en comparación a aquellas decisiones

tomadas en forma intuitiva o sin el apoyo de una herramienta para la toma de

decisiones.

Los modelos de Investigación de Operaciones son frecuentemente usados

para abordar una gran variedad de problemas de naturaleza real en ingeniería

y ciencias sociales, lo que ha permitido a empresas y organizaciones

importantes beneficios y ahorros asociados a su utilización.1

La investigación de operaciones puede definirse como un método científico de

resolución de problemas, la cual brinda las herramientas suficientes para que

con base en abstracciones de la realidad se puedan generar y resolver

modelos matemáticos con el objetivo de elaborar un análisis y concluir de los

mismos para así poder sustentar cuantitativamente las decisiones que se

tomen respecto a la situación problema.

1 http://www.investigaciondeoperaciones.net/

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Otra de las muchas definiciones que de la investigación de operaciones se

encuentran es la siguiente:

"La Investigación de Operaciones es la aplicación, por grupos

interdisciplinarios, del método científico a problemas relacionados con el

control de las organizaciones o sistemas a fin de que se produzcan soluciones

que mejor sirvan a los objetivos de toda organización."

Ackoff, R. L. y Sasieni M. W. Fundamentals of Operations Research, John

Wiley & Sons, 1968.

“Un elemento principal de la investigación de operaciones es el modelado

matemático. Aunque la solución del modelo matemático establece una base

para tomar una decisión, se deben tener en cuenta factores intangibles o no

cuantificables, por ejemplo, el comportamiento humano, para poder llegar a

una decisión final”

TAHA, Hamdy. Investigación de Operaciones. Pearson, 2004.

B. FASES DE LA INVESTIGACIÓN OPERACIONAL

Un estudio en Investigación Operacional acostumbra involucrar seis fases:

1. Formulación del problema.

2. Construcción del modelo.

3. Cálculo de la solución a través del modelo.

4. Test del modelo y de la solución.

5. Establecimiento de controles de la solución.

6. Implantación y seguimiento.

Que pueden ser descritas como sigue:

1. Formulación del Problema

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En esta fase, el administrador del sistema y el responsable por el estudio

en I.O. deben discutir, en el sentido de colocar el problema de manera clara

y coherente, definiendo los objetivos a alcanzar.

2. Construcción del Modelo del Sistema

Los modelos que interesan en I.O. son modelos matemáticos, esto es,

modelos formados por un conjunto de ecuaciones e inecuaciones.

Un modelo es una representación de un sistema real, que puede existir o

ser un proyecto a ser ejecutado. En el primer caso, el modelo pretende

reproducir el funcionamiento del sistema. En el segundo caso, el modelo es

utilizado para definir la estructura ideal del sistema. La confiabilidad de la

solución obtenida a través del modelo depende de la validez del modelo en

la representación del sistema real. La validez del modelo es la confirmación

de que el realmente representa el sistema real. La diferencia entre la

solución real y la solución propuesta por el modelo depende directamente

de la precisión del modelo en describir el comportamiento original del

sistema.

Un problema simple puede ser representado por modelos también simples

y de fácil solución. Ahora, los problemas más complejos requieren modelos

más elaborados, cuya solución puede ser bastante complicado.

En un modelo matemático, son incluidos tres conjuntos principales de

elementos:

Variables de decisión y parámetros: variables de decisión son las

incógnitas a ser determinadas por la solución del modelo. Parámetros

son valores fijos en el problema.

Restricciones: de modo a llevar en cuenta las limitaciones físicas del

sistema, el modelo debe incluir restricciones que limitan las variables de

decisión a sus valores posibles (o viables).

Función Objetivo: es una función matemática que define la cualidad de

la solución en función de las variables de decisión.

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Para ilustrar mejor a los conjuntos arriba mencionados, consideremos el

siguiente ejemplo.

Ejemplo: Una empresa de comida canina produce dos tipos de raciones:

Tobi y Rex. Para la elaboración de las raciones son utilizados cereales y

carne. Se sabe que:

La ración Tobi utiliza 5 Kg de cereales y 1 Kg de carne, y la ración Rex

utiliza 4 kg de carne y 2 kg de cereales.

El paquete de ración Tobi cuesta S/. 20 y el paquete de ración Rex

cuesta S/. 30.

El kg de carne cuesta S/. 4 y el kg de cereales cuesta S/. 1.

Están disponibles por mes 10 000 kg de carne y 30 000 kg de cereales.

Se desea saber cuál es la cantidad de cada ración a producir de modo que

maximice el lucro.

En este problema las variables de decisión son las cantidades de ración de

cada tipo que van a ser producidas.

Los parámetros dados son los precios unitarios de compra y venta, además

de las cantidades de carne y cereales utilizadas en cada tipo de ración. Las

restricciones son los límites de carne y cereales y la función objetivo es una

función matemática que determine el lucro en función de las variables de

decisión y que debe ser maximizada.

3. Cálculo de la solución a través del modelo

Es realizado a través de técnicas matemáticas específicas. La formulación

del modelo depende directamente del sistema a ser representado. La

función objetivo y las funciones de restricciones pueden ser lineales o no

lineales.

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Las variables de decisión pueden ser continuas o discretas (por ejemplo,

enteras) y los parámetros pueden ser determinísticos o probabilísticos.

El resultado de esa diversidad de representaciones de sistemas es el

desenvolvimiento de diversas técnicas de optimización, de tal forma que se

pueda resolver cada tipo de modelo existente. Estas técnicas incluyen,

principalmente: programación lineal, programación entera, programación

dinámica, programación estocástica y programación no lineal.

C. HISTORIA DE LA INVESTIGACIÓN DE OPERACIONES

La Investigación de Operaciones o Investigación Operativa es una disciplina

donde las primeras actividades formales se dieron en Inglaterra en la Segunda

Guerra Mundial, cuando se encarga a un grupo de científicos ingleses el

diseño de herramientas cuantitativas para el apoyo a la toma de decisiones

acerca de la mejor utilización de materiales bélicos. Se presume que el

nombre de Investigación de Operaciones fue dado aparentemente porque el

equipo de científicos estaba llevando a cabo la actividad de Investigar

Operaciones (militares).

Una vez terminada la guerra las ideas utilizadas con fines bélicos fueron

adaptadas para mejorar la eficiencia y la productividad del sector civil. Una de

las áreas principales de la Investigación de Operaciones es la Optimización o

Programación Matemática. La Optimización se relaciona con problemas de

minimizar o maximizar una función (objetivo) de una o varias variables, cuyos

valores usualmente están restringidos por ecuaciones y/o desigualdades.

Hoy en día el uso de modelos de optimización es cada vez más frecuente en

la toma de decisiones. Este mayor uso se explica, principalmente, por un

mejor conocimiento de estas metodologías en las diferentes disciplinas, la

creciente complejidad de los problemas que se desea resolver, la mayor

disponibilidad de software y el desarrollo de nuevos y mejores algoritmos de

solución.

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Un modelo de Investigación de Operaciones requiere necesariamente de una

abstracción de la realidad, además de identificar los factores dominantes que

determinan el comportamiento del sistema en estudio. En este sentido, un

modelo es una representación idealizada de una situación real o un objeto

concreto.2

1. Objetivos

Si el objetivo de una empresa es generar un cierto beneficio mediante la

realización de una cierta obra, el objetivo de la I.O. es que dicha empresa o

sistema opere eficientemente, de modo de optimizar el beneficio.

El objetivo de la I.O. se logra utilizando el método científico para:

Formular el problema

Construir un modelo que lo represente

2 http://www.investigaciondeoperaciones.net/historia_de_la_investigacion_de_operaciones.html

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Obtener una solución de él

Verificar y modificar las hipótesis mediante una experimentación

adecuada.

Para poder llevar a cabo esto es necesario conocer, profundamente el

Sistema:

Conocer el funcionamiento

Posibilidades del personal (entrenamiento)

2. Aspectos que estudia la I.O.

Programación lineal (modelos de transporte y asignación)

Teoría de inventarios

Teoría de colas (esperas)

Programación no lineal

Programación dinámica, etc.

Simulación (métodos)

3. Orígenes de la I.O.

Es un enfoque científico a la toma de decisiones

Nace en la 2º Guerra Mundial (1937) (ingleses-USA)

A partir de 1951 ya estaban en la industria, empresas, etc. y de ahí ha

seguido desarrollándose.

4. Desarrollo

Información estadística (estandarizado de archivos).

Intercambio de opiniones (ingenieros, economistas, etc.).

Uso científico de los datos (no usar la intuición).

La rapidez basada en el uso de las computadoras.

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CAPÍTULO II: PROGRAMACIÓN LINEAL

A. INTRODUCCIÓN A LA PROGRAMACIÓN

Durante la Segunda Guerra Mundial, un grupo de científicos fue convocado

en Inglaterra para estudiar problemas de estrategia y de táctica asociados con

la defensa del país.

El objetivo era decidir sobre la utilización más eficaz de recursos militares

limitados.

La convocación de este grupo marcó la primera actividad formal de

investigación operacional.

Los resultados positivos conseguidos por el equipo de investigación

operacional inglesa motivaron a los Estados Unidos a que se inicien

actividades semejantes. A pesar de ser Inglaterra donde se originó la

Investigación Operacional, su propagación se debe principalmente al equipo

de científicos liderada por George B. Dantzig, de los Estados

Unidos, convocada durante la Segunda Guerra Mundial. Al resultado de este

esfuerzo de investigación, concluido en 1947, se dio el nombre de Método

Simplex.

Con el fin de la guerra, la utilización de técnicas de programación atrajo el

interés de diversas otras áreas. La naturaleza de los problemas encontrados

es bastante amplio y compleja, exigiendo, por tanto, un abordamiento que

permita reconocer los múltiplos aspectos involucrados. Una característica

importante de la investigación operacional y que facilita el proceso de análisis

y de decisión es la utilización de modelos. Ellos permiten la experimentación

de la solución propuesta. Esto significa que una decisión puede ser más bien

avaluada y verificada antes de ser efectivamente implementada. La economía

obtenida y la experiencia adquirida por la experimentación justifican el uso de

Investigación Operacional.

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Con el aumento de la velocidad de procesamiento y cantidad de memoria de

los computadores actuales, tuvimos un gran progreso en Investigación

Operacional. Este progreso es debido también a la larga utilización de

microcomputadoras, que se convirtieron en unidades muy separadas dentro

de empresas. Eso en realidad hace que los modelos desenvueltos por los

profesionales de Investigación Operacional sean más rápidos y versátiles,

además de ser también interactivos, posibilitando la participación del usuario

durante el proceso de cálculo.

Investigación Operacional es un método científico de toma de decisiones. En

líneas generales, consiste en la descripción de un sistema organizado con

auxilio de un modelo, y a través da experimentación con el modelo, en el

descubrimiento de la mejor manera de operar el sistema.

B. PROGRAMACIÓN LINEAL

Un modelo de Programación Lineal (PL) considera que las variables de

decisión tienen un comportamiento lineal, tanto en la función objetivo como

restricciones del problema. En este sentido, la Programación Lineal es una de

las herramientas más utilizadas en la Investigación Operativa debido a que

por su naturaleza se facilitan los cálculos y en general permite una buena

aproximación de la realidad.

Los Modelos Matemáticos se dividen básicamente en Modelos Deterministas

(MD) o Modelos Estocásticos (ME). En el primer caso (MD) se considera que

los parámetros asociados al modelo son conocidos con certeza absoluta, a

diferencia de los Modelos Estocásticos, donde la totalidad o un subconjunto

de los parámetros tienen una distribución de probabilidad asociada. Los

cursos introductorios a la Investigación Operativa generalmente se enfocan

sólo en Modelos Deterministas.

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Supuestos Básicos de la Programación Lineal: Linealidad, Modelos

Deterministas, Variables reales, No Negatividad.3

Programación Lineal es utilizada para analizar modelos donde las

restricciones y la función objetivo son lineales; programación entera se aplica

a modelos que poseen variables enteras (o discretas); programación dinámica

es utilizada en modelos donde el problema completo puede ser descompuesto

en subproblemas menores; programación estocástica es aplicada a una clase

especial de modelos donde los parámetros son descritos por funciones de

probabilidad; finalmente, programación no lineal es utilizada en modelos que

contienen funciones no lineales.

Una característica presente en casi todas las técnicas de programación

matemática es que la solución óptima del problema no puede ser obtenida en

un único paso, sino iterativamente. Inicialmente se escoge una solución inicial

(que generalmente no es la solución óptima).

3 http://www.programacionlineal.net/programacion_lineal.html

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Un algoritmo es especificado para determinar, a partir de esta, una nueva

solución, que generalmente es superior o anterior. Este paso es repetido hasta

que la solución óptima sea alcanzada (suponiendo que ella existe).

1. Test del modelo y de la solución

Este test es realizado con datos empíricos del sistema. Si hubiera datos

históricos, ellos serán aplicados en el modelo, generando un desempeño

que puede ser comparado al desempeño observado en el sistema. Si el

desvió verificado no fuese aceptable, la reformulación o mismo el abandono

del modelo será inevitable. Caso no haya datos históricos, los datos

empíricos serán anotados con el sistema funcionando sin interferencia,

hasta que el test pueda ser realizado.

2. Establecimiento de controles de solución

La construcción y experimentación con el modelo identifican parámetros

fundamentales para la solución del problema.

Cualquier cambio en los parámetros deberá ser controlado para

garantizar la validez de la solución adoptada.

3. Implementación y seguimiento

En esta fase, la solución será presentada

4. Aplicaciones

a. Problema de la Dieta

(Stigler, 1945). Consiste en determinar una dieta de manera eficiente, a

partir de un conjunto dado de alimentos, de modo de satisfacer

requerimientos nutricionales. La cantidad de alimentos a considerar, sus

características nutricionales y los costos de éstos, permiten obtener

diferentes variantes de este tipo de modelos.

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Por ejemplo:

Leche (lt.) Legumbre (1

porción)

Naranjas

(Unidad)

Requerimientos

nutricionales

Niacina 3.2 4.9 0.8 13

Tiamina 1.12 1.3 0.19 15

Vitamina C 32 0 93 45

Costo 2 0.2 0.25

Variables de Decisión:

X1: Litros de Leche utilizados en la Dieta

X2: Porciones de Legumbres utilizadas en la Dieta

X3: Unidades de Naranjas utilizadas en la Dieta

Función Objetivo: (Minimizar los Costos de la Dieta) Min 2X1 + 0,2X2 +

0,25X3

Restricciones: Satisfacer los requerimientos nutricionales

Niacina: 3,2X1 + 4,9X2 + 0,8X3 >= 13

Tiamina: 1,12X1 + 1,3X2 + 0,19X3 >=15

Vitamina C: 32X1 + 0X2 + 93X3 >= 45

No Negatividad: X1>=0; X2>=0; X3>=0

La solución Óptima es X1=0, X2=11,4677, X3=0,483871, con Valor Óptimo

V(P)=2,4145.

Se puede verificar en el siguiente enlace la solución4

4 http://www.programacionlineal.net/resolucion.html

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b. Problema de Dimensionamiento de Lotes

(Wagner y Whitin, 1958). Consiste en hallar una política óptima de

producción para satisfacer demandas fluctuantes en el tiempo, de

modo de minimizar los costos de producción e inventario, considerando

la disponibilidad de recursos escasos.

Considere que una fábrica puede elaborar hasta 150 unidades en cada

uno de los 4 periodos en que se ha subdividido el horizonte de

planificación y se tiene adicionalmente la siguiente información:

Periodos Demandas

(Unidades)

Costo Producción

(US$/Unidad)

Costo de inventario

(US$/Unidad)

1 130 6 2

2 80 4 1

3 25 8 2.5

4 195 9 3

Adicionalmente considere que se dispone de un Inventario Inicial de 15 unidades

y no se acepta demanda pendiente o faltante, es decir, se debe satisfacer toda

la demanda del período.

Variables de Decisión:

Xt: Unidades elaboradas en el período t (Con t =1,2,3,4)

It: Unidades en inventario al final del período t (Con t =1,2,3,4)

Función Objetivo: (Minimizar los Costos de Producción e Inventarios) Min 6X1

+ 4X2 + 8X3 + 9X4 + 2I1 + 1I2 + 2,5I3+ 3I4

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Restricciones:

Capacidad de Producción por Período: Xt <= 150 (Con t =1,2,3,4)

Satisfacer Demanda Período 1: X1 + I0 - I1 = 130 (I0 = 15)

Satisfacer Demanda Período 2: X2 + I1 - I2 = 80

Satisfacer Demanda Período 3: X3 + I2 - I3 = 125

Satisfacer Demanda Período 4: X4 + I3 - I4 = 195

No Negatividad: Xt >=0, It >=0

Solución Óptima utilizando Solver de MS Excel

X1=115, X2=150, X3=100, X4=150, I1=0, I2=70, I3=45, I4=0. Valor Óptimo

V(P)=3.622,5

Para ver una aplicación de esta herramienta, se puede consultar la referencia 5

c. Problema de Transporte

(Referencia: Hitchcock, 1941; Kantorovich, 1942; Koopmans 1947)

El problema consiste en decidir cuántas unidades trasladar desde ciertos

puntos de origen (platas, ciudades, etc.) a ciertos puntos de destino

(centros de distribución, ciudades, etc.) de modo de minimizar los costos

de transporte, dada la oferta y demanda en dichos puntos. Se suponen

conocidos los costos unitarios de transporte, los requerimientos de

demanda y la oferta disponible.

Por ejemplo, suponga que una empresa posee dos plantas que elaboran

un determinado producto en cantidades de 250 y 400 unidades diarias,

respectivamente. Dichas unidades deben ser trasladadas a tres centros

de distribución con demandas diarias de 200, 200 y 250 unidades,

respectivamente.

5 http://www.investigacionoperativa.com/programacion_lineal.html

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Los costos de transporte (en $/unidad) son:

Se requiere formular un modelo de Programación Lineal que permita

satisfacer los requerimientos de demanda al mínimo costo.

Variables de Decisión:

Xij: Unidades transportadas desde la planta i (i=1, 2) hasta el centro de

distribución j (j=1, 2, 3)

Función Objetivo: Minimizar el costo de transporte entre las plantas y los

centros de distribución dado por:

Minimizar 21X11 + 25X12 + 15X13 + 28X21 + 13X22 + 19X23

Restricciones:

Satisfacer los requerimientos de Demanda de los Centros de Distribución:

X11+ X21 = 200

X12 + X22 = 200

X13 + X23 = 250

Sujeto a la Oferta o Capacidad de Producción de las Plantas:

X11+ X12 + X13 = 250

X21 + X22+ X23 = 400

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No Negatividad:

Xij>= 0 i=1,2 y j=1,2,3

El siguiente diagrama permite una visualización de la situación anterior:

A continuación una descripción de la implementación computacional y resolución

del problema anterior utilizando el complemento Solver de Microsoft Excel:

1. Abrir una Planilla de Cálculo de Excel. Asegúrese de tener instalado el

complemento Solver. Luego construya una planilla como la de la imagen de

referencia. Se han marcado con amarillo las celdas cambiantes (variables de

decisión) y con color azul la celda de la función objetivo.

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Notar que algunas celdas en la imagen anterior consideran fórmulas:

F7=SUMA(C7:E7)

F8=SUMA(C7:E7)

C9=SUMA(C7:C8)

D9=SUMA(D7:D8)

E9=SUMA(E7:E8)

2. Ingrese la función objetivo, celdas cambiantes y restricciones en la ventana

de Parámetros de Solver. Seleccione también la opción Convertir variables

sin restricciones en no negativas. Si utiliza las mismas celdas de la imagen

anterior, usted debería obtener lo siguiente:

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3. Seleccione Resolver. Obtendrá la solución al problema y podrá requerir los

Informes de Solver. Finalmente presione Aceptar para obtener el o los

informes de interés.

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Finalmente, se obtienen los informes de confiabilidad (o sensibilidad) los cuales

entregan información relevante en cuanto a los precios sombra asociados a las

restricciones, intervalos de variación de garantizan la validez del precio sombra,

intervalo de variación para los coeficientes de la función objetivo, etc.

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Referencia: http://www.investigacionoperativa.com/programacion_lineal.html

C. MÉTODO SIMPLEX

El Método Simplex es un método analítico de solución de problemas de

programación lineal capaz de resolver modelos más complejos que los

resueltos mediante el método gráfico sin restricción en el número de

variables.6

El método Simplex es un procedimiento iterativo que permite mejorar la

solución de la función objetivo en cada paso. El proceso concluye cuando no

es posible continuar mejorando dicho valor, es decir, se ha alcanzado la

solución óptima (el mayor o menor valor posible, según el caso, para el que

se satisfacen todas las restricciones).

6 https://www.ingenieriaindustrialonline.com/herramientas-para-el-ingeniero-industrial/investigaci%C3%B3n-de-operaciones/m%C3%A9todo-simplex/

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Partiendo del valor de la función objetivo en un punto cualquiera, el

procedimiento consiste en buscar otro punto que mejore el valor anterior.

Como se verá en el método Gráfico, dichos puntos son los vértices del

polígono (o poliedro o polícromo, si el número de variables es mayor de 2) que

constituye la región determinada por las restricciones a las que se encuentra

sujeto el problema (llamada región factible). La búsqueda se realiza mediante

desplazamientos por las aristas del polígono, desde el vértice actual hasta uno

adyacente que mejore el valor de la función objetivo. Siempre que exista

región factible, como su número de vértices y de aristas es finito, será posible

encontrar la solución.

El método Simplex se basa en la siguiente propiedad: si la función objetivo Z

no toma su valor máximo en el vértice A, entonces existe una arista que parte

de A y a lo largo de la cual el valor de Z aumenta.

Será necesario tener en cuenta que el método Simplex únicamente trabaja

con restricciones del problema cuyas inecuaciones sean del tipo "≤" (menor o

igual) y sus coeficientes independientes sean mayores o iguales a 0. Por tanto

habrá que estandarizar las restricciones para que cumplan estos requisitos

antes de iniciar el algoritmo del Simplex. En caso de que después de éste

proceso aparezcan restricciones del tipo "≥" (mayor o igual) o "=" (igualdad),

o no se puedan cambiar, será necesario emplear otros métodos de resolución,

siendo el más común el método de las Dos Fases.7

1. Objetivo

Encontrar la mejor distribución posible de los recursos escasos entre las

diversas actividades o tareas, de tal forma que se pueda alcanzar un valor

óptimo del objetivo establecido.

7 http://www.phpsimplex.com/teoria_metodo_simplex.htm

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2. Características

Existencia de un Objetivo que pueda ser explicitado en términos de las

variables de decisión del problema.

Existencia de Restricciones a la aplicación de recursos, tanto en la

disponibilidad cuanto en el modo de utilización.

Pasos a seguir:

3. Preparando el modelo para adaptarlo al método Simplex

La forma estándar del modelo de problema consta de una función objetivo

sujeta a determinadas restricciones:

Definición de las variables

Relaciones Matemáticas

de las Restricciones

¿Qué queremos saber?

Ecuación de la función

objetivo

¿A qué condiciones

debemos obedecer?

Modelo completo

¿Cómo el objetivo puede

ser escrito en términos de

las variables?

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Función objetivo: c1·x1 + c2·x2 + ... + cn·xn

Sujeto a: a11·x1 + a12·x2 + ... + a1n·xn = b1

a21·x1 + a22·x2 + ... + a2n·xn = b2

...

am1·x1 + am2·x2 + ... + amn·xn = bm

x1,..., xn ≥ 0

El modelo debe cumplir las siguientes condiciones:

1. El objetivo consistirá en maximizar o minimizar el valor de la función

objetivo (por ejemplo, incrementar ganancias o reducir pérdidas,

respectivamente).

2. Todas las restricciones deben ser ecuaciones de igualdad (identidades

matemáticas).

3. Todas las variables (xi) deben tener valor positivo o nulo (condición de

no negatividad).

4. Los términos independientes (bi) de cada ecuación deben ser no

negativos.

Hay que adaptar el problema modelado8, a la forma estándar para poder

aplicar el algoritmo del Simplex.

4. Tipo de optimización

Como se ha comentado, el objetivo del método consistirá en optimizar el

valor de la función objetivo. Sin embargo, se presentan dos opciones:

obtener el valor óptimo mayor (maximizar) u obtener el valor óptimo menor

(minimizar).

8 http://www.phpsimplex.com/teoria_modelado_problemas.htm

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Además, existen diferencias en el algoritmo entre el objetivo de

maximización y el de minimización en cuanto al criterio de condición de

parada para finalizar las iteraciones y a las condiciones de entrada y salida

de la base.

Así:

Objetivo de maximización

Condición de parada: cuando en la fila Z no aparece ningún valor negativo.

Condición de entrada a la base: el menor valor negativo en la fila Z (o el

de mayor valor absoluto entre los negativos) indica la variable Pj que entra

a la base.

Condición de salida de la base: una vez obtenida la variable entrante, la

variable que sale se determina mediante el menor cociente P0/Pj de los

estrictamente positivos.

Objetivo de minimización

Condición de parada: cuando en la fila Z no aparece ningún valor positivo.

Condición de entrada a la base: el mayor valor positivo en la fila Z indica

la variable Pj que entra a la base.

Condición de salida de la base: una vez obtenida la variable entrante, la

variable que sale se determina mediante el menor cociente P0/Pj de los

estrictamente negativos.

No obstante, es posible normalizar el objetivo del problema con el fin de

aplicar siempre los mismos criterios en lo referente a la condición de

parada del algoritmo y a las condiciones de entrada y salida de las

variables de la base.

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De esta forma, si el objetivo es minimizar la solución, se puede cambiar el

problema a otro equivalente de maximización simplemente multiplicando

la función objetivo por "-1". Es decir, el problema de minimizar Z es

equivalente al problema de maximizar (-1)·Z. Una vez obtenida la solución

será necesario multiplicarla también por (-1).

Ventajas: No hay que preocuparse por nuevos criterios de parada,

condición de entrada y salida de la base ya que se mantienen.

Inconvenientes: En el caso de que la función tenga todos los coeficientes

de sus variables básicas positivos, y además las restricciones sean del

tipo de desigualdad "≤", al hacer el cambio dichos coeficientes quedan

negativos cumpliéndose la condición de parada en la primera iteración (en

la fila del valor de la función objetivo todos los valores son positivos o

cero). Obteniéndose en este caso por defecto un valor óptimo para la

función igual a 0.

Solución: Realmente no existe este problema dado que para que la

solución sea superior a 0 es necesario que alguna restricción tenga

impuesta la condición "≥" (y se trataría de un modelo para el método de

las Dos Fases). En el caso planteado, la solución real debe ser cero.

5. Cambio de signo de los términos independientes

También se ha dicho que los términos independientes (bi) de cada ecuación

deben ser no negativos para poder emplear el método Simplex. A tal fin, si

alguna de las restricciones presenta un término independiente menor que 0

habrá que multiplicar por "-1" ambos lados de la inecuación (teniendo en

cuenta que esta operación también afecta al tipo de restricción).

Ventajas: Con ésta simple modificación de signos en las restricciones

correspondientes se posibilita la aplicación del método Simplex al problema

modelado.

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Inconvenientes: Puede resultar que en las restricciones donde tengamos que

modificar los signos de las constantes, los tipos de desigualdad fueran "≤"

(quedando tras la operación del tipo "≥") siendo necesario desarrollar el

método de las Dos Fases. Este inconveniente no es controlable, aunque

podría ocurrir el caso contrario y resultar beneficioso si los términos

independientes negativos se presentan en todas aquellas restricciones con

desigualdad de tipo "≥". Si existe alguna restricción del tipo "=" no supondría

ninguna ventaja ni desventaja puesto que siempre sería de necesaria

aplicación el método de las Dos Fases.

6. Normalización de las restricciones

Otra de las condiciones del modelo estándar del problema es que todas las

restricciones sean ecuaciones de igualdad (también llamadas restricciones

de igualdad), por lo que hay que convertir las restricciones de desigualdad o

inecuaciones en dichas identidades matemáticas.

La condición de no negatividad de las variables (x1,..., xn ≥ 0) es la única

excepción y se mantiene tal cual.

Restricción de tipo "≤"

Para normalizar una restricción con una desigualdad del tipo "≤", hay que

añadir una nueva variable, llamada variable de holgura xs (con la

condición de no negatividad: xs ≥ 0). Esta nueva variable aparece con

coeficiente cero en la función objetivo, y sumando en la ecuación

correspondiente (que ahora sí será una identidad matemática o ecuación

de igualdad).

a11·x1 + a12·x2 ≤ b1 a11·x1 + a12·x2 + 1·xs = b1

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Restricción de tipo "≥"

En caso de una desigualdad del tipo "≥", también hay que añadir una

nueva variable llamada variable de exceso xs (con la condición de no

negatividad: xs ≥ 0). Esta nueva variable aparece con coeficiente cero en

la función objetivo, y restando en la ecuación correspondiente.

Surge ahora un problema con la condición de no negatividad con esta

nueva variable del problema. Las inecuaciones que contengan una

desigualdad de tipo "≥" quedarían:

a11·x1 + a12·x2 ≥ b1 a11·x1 + a12·x2 - 1·xs = b1

Al realizar la primera iteración con el método Simplex, las variables

básicas no estarán en la base y tomarán valor cero. En este caso la nueva

variable xs, tras hacer cero a x1 y x2, tomará el valor -b1 y no cumpliría la

condición de no negatividad. Es necesario añadir otra nueva variable xr,

llamada variable artificial, que también aparecerá con coeficiente cero en

la función objetivo y sumando en la restricción correspondiente.

Quedando entonces de la siguiente manera:

a11·x1 + a12·x2 ≥ b1 a11·x1 + a12·x2 - 1·xs + 1·xr = b1

Restricción de tipo "="

Al contrario de lo que cabría pensar, para las restricciones de tipo "="

(aunque ya son identidades) también es necesario agregar variables

artificiales xr. Como en el caso anterior, su coeficiente será cero en la

función objetivo y aparecerá sumando en la restricción correspondiente.

a11·x1 + a12·x2 = b1 a11·x1 + a12·x2 + 1·xr = b1

En el último caso se hace patente que las variables artificiales suponen

una violación de las leyes del álgebra, por lo que será necesario asegurar

que dichas variables artificiales tengan un valor 0 en la solución final.

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De esto se encarga el método de las Dos Fases y por ello siempre que

aparezcan este tipo de variables habrá que realizarlo.

En la siguiente tabla se resume según la desigualdad el tipo de variable

que aparece en la ecuación normalizada, así como su signo:

Tipo de desigualdad Tipo de variable que aparece

≥ - exceso + artificial

= + artificial

≤ + holgura

7. Desarrollando el método Simplex

Una vez estandarizado el modelo puede ocurrir que sea necesario aplicar el

método Simplex o el método de las Dos Fases.

Véase en la figura la forma de actuación para llegar a la solución del

problema modelado.

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A continuación, se explican paso a paso los puntos de cada método, concretando

los aspectos a tener en cuenta.

a. Método Simplex

Construcción de la primera tabla:

Las columnas de la tabla están dispuestas de la siguiente forma: la

primera columna de la tabla contiene las variables que se encuentran en

la base (o variables básicas), esto es, aquellas que toman valor para

proporcionar una solución; la segunda columna recoge los coeficientes

que dichas variables básicas tienen en la función objetivo (esta columna

es llamada Cb); la tercera muestra el término independiente de cada

restricción (P0); a partir de ésta aparece una columna por cada una de las

variables de decisión y holgura presentes en la función objetivo (Pj). Para

tener una visión más clara de la tabla, se incluye una fila que contiene los

títulos de cada una de las columnas.

Sobre esta tabla se agregan dos nuevas filas: una de ellas, que lidera la

tabla, donde aparecen los coeficientes de las variables de la función

objetivo, y una última fila que recoge el valor la función objetivo y los

costes reducidos Zj - Cj.

Los costes reducidos muestran la posibilidad de mejora en la solución Z0.

Por este motivo también son llamados valores indicadores.

Se muestra a continuación el aspecto general de la tabla del método

Simplex:

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Todos los valores incluidos en la tabla vendrán dados por el modelo del

problema salvo los valores de la fila Z (o fila indicadora). Estos se obtienen

de la siguiente forma: Zj = Σ(Cbi·Pj) para i = 1..m, donde si j = 0, P0 = bi y

C0 = 0, y en caso contrario Pj = aij.

Se observa, al realizar el método Simplex, que en esta primera tabla

ocupan la base todas las variables de holgura y por ello (todos los

coeficientes de las variables de holgura son 0 en la función objetivo) el

valor inicial de Z es cero.

Por este mismo motivo tampoco es necesario realizar los cálculos de los

costes reducidos en la primera tabla, pudiéndose determinar directamente

como el cambio de signo de los coeficientes de cada variable en la función

objetivo, esto es, -Cj.

Condición de parada:

Se cumple la condición de parada cuando la fila indicadora no contiene

ningún valor negativo entre los costes reducidos (cuando el objetivo es la

maximización), esto es, no existe posibilidad de mejora.

Una vez cumplida la condición de parada, el valor de cada variable que

logra la solución óptima se encuentra en la columna P0, indicándose en

la base a qué variable corresponde dicho valor.

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Si una variable no aparece en la base, significa que su valor es cero. De

la misma forma el valor óptimo de la función objetivo (Z) se encuentra en

la columna P0, fila Z.

Si no se cumple la condición de parada es necesario realizar una iteración

más del algoritmo, esto es, determinar la variable que se vuelve básica y

la que deja de serlo, encontrar el elemento pivote, actualizar los valores

de la tabla y comprobar si se cumple nuevamente la condición de parada.

Es también posible determinar que el problema no se encuentra acotado

y su solución siempre resultará mejorable. En tal caso no es necesario

continuar iterando indefinidamente y se puede finalizar el algoritmo. Esta

situación ocurre cuando en la columna de la variable entrante a la base

todos los valores son negativos o nulos.

Elección de la variable que entra a la base:

Cuando una variable se vuelve básica, es decir, entra en la base,

comienza a formar parte de la solución. Observando los costes reducidos

en la fila Z, se decide que entra a la base la variable de la columna en la

que éste sea el de menor valor (o de mayor valor absoluto) entre los

negativos.

Elección de la variable que sale de la base:

Una vez obtenida la variable entrante, se determina que sale de la base

la variable que se encuentre en aquella fila cuyo cociente P0/Pj sea el

menor de los estrictamente positivos (teniendo en cuenta que esta

operación se hará únicamente cuando Pj sea superior a 0).

Elemento pivote:

El elemento pivote de la tabla queda marcado por la intersección entre la

columna de la variable entrante y la fila de la variable saliente.

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Actualización de la tabla:

Las filas correspondientes a la función objetivo y a los títulos

permanecerán inalteradas en la nueva tabla. El resto de valores deberán

calcularse como se explica a continuación:

En la fila del elemento pivote cada nuevo elemento se calcula como:

Nuevo Elemento Fila Pivote = Anterior Elemento Fila Pivote / Pivote.

En el resto de las filas cada elemento se calcula:

Nuevo Elemento Fila = Anterior Elemento Fila - (Anterior Elemento Fila en

Columna Pivote * Nuevo Elemento Fila Pivote).

De esta forma se consigue que todos los elementos de la columna de la

variable entrante sean nulos salvo el de la fila de la variable saliente cuyo

valor será 1. (Es análogo a utilizar el método de Gauss-Jordan para

resolver sistemas de ecuaciones lineales).

8. Problema de aplicación

La Industria Maximuebles fabrica 2 tipos de productos: sillas y mesas.

Los productos presentan los siguientes márgenes de contribución:

Margen de contribución unitaria: sillas=S/.10 y mesas=S/.8

Los productos son procesados por 2 departamentos: Montado y acabado.

Al pasar por esos departamentos, cada unidad consume un número

determinado de horas indicado:

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Departamento Sillas Mesas Capacidad Máxima

Montado 3 horas 3 horas 30 horas

Acabado 6 horas 3 horas 48 horas

Objetivo: Calcular la cantidad de cada producto para maximizar el margen

de contribución.

Usando el método simplex

P1, P2, …, Pn=Pasos a seguir.

P1: Introducción de las variables de holgura – una para cada ecuación.

P2: Armado del cuadro de coeficientes, incluyendo la FO con los signos

cambiados.

P3: Creación de la solución básica inicial, generalmente dando el valor

de 0 a las variables originales.

P4: Variable que entra en la base:

Aquel que tenga el mayor valor negativo en la fila de la FO transformada.

Cuando no hay más coeficientes negativos en la fila de la FO, la solución

encontrada es óptima.

P5: Variable que sale de la base:

Dividir los términos independientes por los respectivos coeficientes positivos

de la variable que entra.

El menor cociente indica, por la ecuación que ocurre, la variable que debe

salir.

P6: Transformar la matriz, encontrándose la nueva base.

Operaciones:

1. En la variable que ingresó, divida toda la fila por el primer número para

obtener 1.

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2. En la variable que quedó multiplique por el primer número negativo de la

variable que entró y sume con toda la fila.

3. En la función objetivo multiplique por el primer número negativo de la

variable que ingresó y sume con toda la fila.

9. Ejemplo práctico

MODELO COMPLETO:

Variables: x1=silla y x2=mesa

Función Objetivo (FO):

MAXIMIZAR margen de contribución total

Max 𝟏𝟎𝒙1+𝟖𝒙𝟐, MCT silla + MCT mesa

Restricciones:

Montado 𝟑𝒙𝟏+𝟑𝒙𝟐≤𝟑𝟎

Acabado 6𝒙𝟏+𝟑𝒙𝟐≤48

𝒙1, 𝒙2≥𝟎

Paso 1

COLOCACIÓN DE LAS VAR HOLGURA:

Maximizar 𝐌𝐂𝐓=𝟏𝟎𝒙𝟏+𝟖𝒙𝟐

Restricciones (s.a):

Montado 𝟑𝒙𝟏+𝟑𝒙𝟐+𝒙𝟑 =𝟑𝟎

Acabado 6𝒙𝟏+𝟑𝒙𝟐 +𝒙𝟒=𝟒𝟖

𝒙𝟏, 𝒙𝟐, 𝒙𝟑, 𝒙𝟒 ≥ 𝟎

Regla: Una variable de holgura para cada inecuación.

Paso 2 y 3

Armado del cuadro de coeficientes, incluyendo la FO con los signos cambiados

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Creación de la solución básica inicial, generalmente dando el valor de 0 a las

variables originales.

Asuma x1 y x2 igual a 0, x3=30, x4=48, MCT=0

Paso 4

Paso 5

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Paso 6

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D. MÉTODO SIMPLEX DOS FASES

El método de las Dos Fases se utiliza cuando aparecen variables artificiales

en la forma canónica o estándar del problema.

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La primera fase trata de resolver el problema auxiliar Z' de minimizar la suma

de las variables artificiales y conseguir que sea cero (con objeto de evitar

incongruencias matemáticas). Una vez resuelto este primer problema, y

siempre y cuando el resultado sea el esperado, se reorganiza la tabla

resultante para utilizarla en la segunda fase sobre el problema original.

En caso contrario el problema no es factible, es decir, no tiene solución y no

será necesario continuar con la segunda fase.9

Fase 1

Esta primera fase es muy similar al método Simplex, con la excepción de la

construcción de la primera tabla, además de la necesidad de estudiar el

resultado obtenido para determinar si se desarrolla la segunda fase.

En tal caso, la última tabla de esta fase será, con algunas modificaciones, la

utilizada como tabla inicial para la segunda fase.

Construcción de la primera tabla:

Se elabora de manera análoga a la tabla inicial del método Simplex, pero

con algunas diferencias.

Como se ha comentado, en esta primera fase se resuelve un problema

auxiliar (la minimización de la suma de las variables artificiales) con una

función objetivo auxiliar. Por lo tanto en la primera fila de la tabla, donde

se muestran los coeficientes de las variables de la función objetivo,

aparecerán todos los términos a cero excepto los coeficientes de variables

artificiales. El valor de cada uno de estos coeficientes es "-1" debido a que

se está minimizando la suma de dichas variables (recuerde que minimizar

Z' es igual que maximizar (-1)·Z').

9 http://www.phpsimplex.com/teoria_metodo_simplex.htm

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La otra diferencia para la primera tabla radica en que ahora sí es necesario

calcular la fila Z (o fila indicadora).

Siendo Zj = Σ(Cbi·Pj) - Cj para i = 1..m, donde si j = 0, P0 = bi y C0 = 0, y

en caso contrario Pj = aij.

Condición de parada y paso a la fase 2:

La condición de parada es la misma que en el método Simplex normal.

Esto es, cuando en la fila indicadora ninguno de los valores de los costes

reducidos es negativo (ya que tal y como se ha planteado el objetivo es la

maximización de (-1)·Z').

Cumplida la condición de parada es necesario determinar si es posible

pasar a la segunda fase para obtener la solución óptima del problema

original. Esto se hace observando el resultado obtenido en la primera fase:

si su valor es 0, significa que el problema original tiene solución y es

posible calcularla, en caso contrario indica que se trata de un problema no

factible y no tiene solución.

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Fase 2

La segunda fase del método de las Dos Fases se desarrolla exactamente

igual que el método Simplex, con la salvedad de que antes de iniciar las

iteraciones hay que eliminar las columnas correspondientes a las

variables artificiales, y reconstruir la tabla inicial.

Eliminar Columna de variables artificiales:

Si hemos llegado a la conclusión de que el problema original tiene

solución, debemos preparar nuestra tabla para la segunda fase. Este paso

es muy sencillo, se trata únicamente de eliminar las columnas

correspondientes a las variables artificiales.

Construcción de la tabla inicial:

La tabla inicial en este caso se mantiene casi igual a la última tabla de la

primera fase. Únicamente habrá que modificar la fila de la función objetivo

por la del problema original y calcular nuevamente la fila Z (de la misma

forma que en la primera tabla de la fase 1).

A partir de este punto, todas las iteraciones hasta llegar a la solución

óptima del problema no presentan ninguna diferencia con el método

Simplex.

E. Identificando casos anómalos y soluciones

Solución óptima: cuando se cumple la condición de parada y no hay

variables artificiales en la base con valor positivo (los valores se indican en la

columna P0), se ha conseguido la optimización. El valor Z0 actual es la

solución óptima del problema, cumpliéndose para las variables que se

encuentran en la base. Si se trata de un problema de minimización, el valor

óptimo obtenido se multiplicará por "-1".

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Infinitas soluciones: cumplida la condición de parada, si alguna variable de

decisión no básica tiene un valor 0 en la fila Z, significa que existe otra solución

que aporta el mismo valor óptimo para la función objetivo. Es este caso el

problema admite infinitas soluciones, estando todas ellas comprendidas

dentro del segmento (o porción del plano, región del espacio, etc.

dependiendo del número de variables del problema) definido por A·X1 + B·X2

= Z0. Mediante una nueva iteración y haciendo que la variable de decisión que

tiene el 0 en la fila Z entre en la base se obtendrá otra solución diferente para

el mismo valor óptimo.

Solución ilimitada (no acotada): si toda la columna de la variable que entra

a la base tiene todos sus elementos negativos o nulos se trata de problema

no acotado, es decir, que tiene solución ilimitada. No hay valor óptimo

concreto para la función objetivo sino que a medida que se aumenta el valor

de las variables también se incrementa el valor Z sin violar ninguna restricción.

No existe solución: cuando ningún punto satisface todas las restricciones del

problema se produce la infactibilidad no existiendo ninguna solución posible

para él. En este caso, una vez terminadas todas las iteraciones del algoritmo,

existen en la base variables artificiales cuyo valor es superior a cero.

Empate de variable entrante: cuando se produce un empate en la condición

de decisión de la variable entrante se puede optar por cualquiera de ellas sin

que esto afecte a la solución final. Por contra si influye en el número de

iteraciones necesarias para obtener dicha solución. Se aconseja optar a favor

de las variables básicas ya que ellas son las que formarán parte de la solución

óptima.

Empate de variable saliente: se puede nuevamente optar por cualquiera de

ellas. Sin embargo, a fin de no alargar el problema y evitar la entrada en un

bucle infinito (caso degenerado), se discrimina a favor de las variables de

decisión haciendo que permanezcan en la base. En el caso de estar en la

primera fase del método de las Dos Fases, se optará por sacar de la base las

variables artificiales.

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Curiosidad en la Fase 1: al finalizar la fase 1, si el problema original tiene

solución, todas las variables artificiales en la fila indicadora deben tener el

valor "1".

¿El elemento pivote puede ser nulo?: No, el elemento pivote siempre será

estrictamente positivo ya que únicamente se realizan los cocientes entre

valores no negativos y mayores que cero (ante un problema de maximización).

1. Ejemplo de aplicación

Una compañía de transporte tiene 3 tipos de camiones, el tipo A tiene 𝟐𝒎𝟑 de

espacio refrigerado y 3𝒎𝟑 de espacio no refrigerado. B tiene 𝟐𝒎𝟑 de esp.

Refrigerado y 1𝒎𝟑 de esp. No refrigerado y el C tiene 𝟑𝒎𝟑 de espacio refrigerado

y 5𝒎𝟑 de espacio no refrigerado. El cliente quiere transportar un producto que

necesita de 𝟐𝟎𝒎𝟑 de área refrigerada y el área no refrigerada sea igual a 𝟏𝟎𝒎𝟑.

La compañía calcula entre 1700 litro de combustible para un viaje con el camión

A, 750 l para el camión B y C 800 l. ¿Cuántos camiones de cada tipo deben ser

usados en el transporte del producto con el menor consumo posible?

PPL:

𝑥1 →Cantidad a ser transportada por camión tipo A

𝑥2 →Cantidad de camión tipo B

𝑥3 →Cantidad de camión tipo C

FO: 𝑚𝑖𝑛 𝐶 = 1700𝑥1 + 750𝑥2 + 800𝑥3

Restricciones:

2𝑥1 + 2𝑥2 + 5𝑥3 ≥ 20 →Disp. Mínimo de espacio.

3𝑥1 + 1𝑥2 + 5𝑥3 = 10 →Disp. Espacio no refrigerado.

Variables de no negativo.

Solución

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Repare que las restricciones tienen signos de (=) y (≥), en este caso es

necesario realizar transformaciones lineales en estas ecuaciones.

En la restricción del tipo (≥) es equilibrada con una variable de exceso, o sea:

𝟐𝒙𝟏 + 𝟐𝒙𝟐 + 𝟓𝒙𝟑 − 𝒙𝟒 = 𝟐𝟎

La segunda restricción ya está equilibrada.

PPL: 𝒎𝒊𝒏 𝑪 = 𝟏𝟕𝟎𝟎𝒙𝟏 + 𝟕𝟓𝟎𝒙𝟐 + 𝟖𝟎𝟎𝒙𝟑

𝟐𝒙𝟏 + 𝟐𝒙𝟐 + 𝟓𝒙𝟑 − 𝒙𝟒 = 𝟐𝟎

𝟑𝒙𝟏 + 𝟏𝒙𝟐 + 𝟓𝒙𝟑 = 𝟏𝟎

𝒙𝟏, 𝒙𝟐, 𝒙𝟑, 𝒙𝟒 ≥ 𝟎

VB x1 x2 x3 x4 b

? 3 1 5 0 10

? 2 2 5 -1 20

• No hay una matriz identidad para una solución inicial ¿Por qué?

• Repare que en la primera restricción del tipo (=) no hay variable de

holgura, pues la restricción dice que debe ser utilizado exactamente 10𝑚3

de espacio no refrigerado.

• En la segunda restricción del tipo (≥), la variable auxiliar tiene coeficiente

-1.

Paso 1: Variable artificial

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PPL: 𝒎𝒊𝒏 𝑪 = 𝟏𝟕𝟎𝟎𝒙𝟏 + 𝟕𝟓𝟎𝒙𝟐 + 𝟖𝟎𝟎𝒙𝟑

𝟐𝒙𝟏 + 𝟐𝒙𝟐 + 𝟓𝒙𝟑 − 𝒙𝟒 + 𝑨𝟏 = 𝟐𝟎

𝟑𝒙𝟏 + 𝟏𝒙𝟐 + 𝟓𝒙𝟑 + 𝑨𝟐 = 𝟏𝟎

𝒙𝟏, 𝒙𝟐, 𝒙𝟑, 𝒙𝟒, 𝑨𝟏, 𝑨𝟐 ≥ 𝟎

Técnica de la variable artificial:

VB x1 x2 x3 x4 A1 A2 b

A1 2 2 5 -1 1 1 20

A2 3 1 5 0 0 0 10

• Repare que ya tenemos la matriz identidad que está siendo formada por

las variables artificiales A1 y A2.

• La suma original entre 𝑥1 y 𝑥2 y 𝑥3 igual a 10, se mantendrá solo si la

variable artificial A2 fuera igual a 0. Lo mismo para A1.

• Tenemos que librarnos de A1 y A2, pero ¿cómo conseguir eso?

• Necesito que A1=0 y A2=0.

• Conozco el método simplex para max y min, entonces vamos comenzar

a minimizar la suma A1+A2

Resumiendo:

Organizar una función que sea la suma de las variables artificiales.

Minimice la función utilizando el método Simplex.

Alcanzado el óptimo, o el mínimo de la suma es nulo y está libre de las

variables artificiales.

Caso en que el mínimo de la suma no sea nulo, se concluye que el

sistema de ecuaciones no tiene solución.

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Este es el primer paso del método.

Función artificial =suma de las variables artificiales.

Min F(A)=A1+A2

VB x1 x2 x3 x4 A1 A2 b

A1 2 2 5 -1 1 0 20

A2 3 1 5 0 0 1 10

F(A) 0 0 0 0 -1 -1 0

• Analizando el cuadro, ¿podemos iniciar el cálculo?

• Acertó, quien dijo que NO.

• En el cuadro estamos leyendo F(A)=0, lo que es errado. Esto sucede

porque las variables artificiales están en la base, pero no tienen

coeficientes nulos en la ecuación de la función.

• Es necesario transformar.

La transformación lineal es realizada de la siguiente manera: Sume a las

ecuaciones que tienen variables artificiales y así se obtendrá coeficientes nulos

para las variables artificiales, que son VB, y el valor de la función será 30.

VB x1 x2 x3 x4 A1 A2 b

A1 2 2 5 -1 1 0 20

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A2 3 1 5 0 0 1 10

F(A) 0 0 0 0 -1 -1 0

Suma 2+3+0 2+1+0 5+5+0 -1 1+0-1 0+1-1 20+10+0

F(A) 5 3 10 -1 0 0 30

El cuadro está pronto para el cálculo.

Entra en la base x3, pues es el más positivo que estamos a minimizar.

Como: 20/5=4 y 10/5=2

Sale A2, el menor cociente.

Dividir la fila A2 entre 5: L2/5→ 𝐿2

L2 × −5 + 𝐿1 → 𝐿1.

VB x1 x2 x3 x4 A1 A2 b

A1 -1 1 0 -1 1 -1 10

A2 3/5 1/5 1 0 0 1/5 2

F(A) -1 1 0 -1 0 -2 10

Solución no óptima, pues hay coeficientes positivos en la ecuación de la función.

Entra x2 en la base.

Como 10/1=1, 2/(1/5)=10, en este caso escogemos aleatoriamente uno de ellos,

vamos a escoger A1.

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VB x1 x2 x3 x4 A1 A2 b

x2 -1 1 0 -1 1 -1 10

x3 4/5 0 1 1/5 -1/5 2/5 0

F(A) 0 0 0 0 -1 -1 0

Solución no óptima, pues hay coeficientes positivos en la ecuación de la función.

Entra x2 en la base.

Como 10/1=1, 2/(1/5)=10, en este caso escogemos aleatoriamente uno de ellos,

vamos a escoger A1.

Solución óptima.

Min F(A) implica variables artificiales con valor nulo.

La base óptima de la solución del sistema de ecuaciones. de la forma

padrón. Va ser utilizada para la optimización de la función objetivo.

• Ya reparó que en la ecuación final de la función artificial es igual al del

cuadro inicial, esto sólo ocurre porque el mínimo de F(A) es 0 y todas las

variables artificiales son variables NB.

Paso 2: optimizar la función objetivo

• Del PPL tenemos:

Min 𝐶 = 1700𝑥1 + 750𝑥2 + 800𝑥3

• El 2do paso del método consiste en minimizar esta función, aplicando el

método Simplex en la base óptima obtenida al final del primer paso.

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VB x1 x2 x3 x4 A1 A2 b

x2 -1 1 0 -1 1 -1 10

x3 4/5 0 1 1/5 -1/5 2/5 0

F(0) -1700 -750 -800 0 0 0 0

• ¿El cuadro está pronto?: NO.

• De X2=10 y X3=0, entonces

• 𝑀𝑖𝑛 𝐶 = 1700 × 0 + 750 × 10 + 800 × 0 = 7500

• Pero, en el cuadro se lee F (0)=0, lo que esta errado. Esto ocurre porque

las variables x1, x2, x3 están en la base pero no tienen coeficiente nulo

en la función.

• Es necesario transformar linealmente la ecuación de la función.

• Unir los coeficientes a anularse a las coordenadas unitarias de las

respectivas VB, coloque a la izquierda de esta VB el simétrico del

coeficiente que tiene en F (0).

• Multiplique las ecuaciones por los valores situados a la izquierda y

sumarlo a la ecuación de la función.

VB x1 x2 x3 x4 b

x2=750 -1 1 0 -1 10

X3=800 4/5 0 1 1/5 0

F(0) -1700 -750 -800 0 0

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Suma 750*1+800*0-750 750*0+800*1-800 750*1+800*0.2+0 750*10+800*0+0

F(0) 0 0 -590 7500

Solución óptima: pues todos los coeficientes son no negativos (min).

La solución óptima es única, pues solo las VB tienen coeficiente nulo en la

ecuación de la función.

F. Interpretación gráfica del Método Simplex

El método Gráfico o método Geométrico permite la resolución de problemas

sencillos de programación lineal de manera intuitiva y visual. Este método se

encuentra limitado a problemas de dos o tres variables de decisión ya que no

es posible ilustrar gráficamente más de 3 dimensiones.

Aunque en la realidad rara vez surgen problemas únicamente con dos o tres

variables de decisión resulta, sin embargo, muy útil esta metodología de

resolución. Al reproducir gráficamente las situaciones posibles como son la

existencia de una solución óptima única, soluciones óptimas alternativas, la

no existencia de solución y la no acotación, constituye una ayuda visual para

interpretar y entender el algoritmo del método Simplex (bastante más

sofisticado y abstracto) y los conceptos que lo rodean.

Las fases del procedimiento de resolución de problemas mediante el método

Gráfico son las siguientes:

Dibujar un sistema de coordenadas cartesianas en el que cada variable de

decisión esté representada por un eje.

𝑋 = (𝑥2𝑥3𝑥1) = (

1000)

𝐶∗ = 750 ∗ 10 + 800 ∗ 0 = 7500

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Establecer una escala de medida para cada uno de los ejes adecuada a su

variable asociada.

Dibujar en el sistema de coordenadas las restricciones del problema,

incluyendo las de no negatividad (que serán los propios ejes). Notar que una

inecuación define una región que será el semiplano limitado por la línea recta

que se tiene al considerar la restricción como una igualdad, mientras que si

una ecuación define una región que es la propia línea recta.

La intersección de todas las regiones determina la región factible o espacio

de soluciones (que es un conjunto convexo). Si esta región es no vacía, se

continuará con el paso siguiente. En caso contrario, no existe ningún punto

que satisfaga simultáneamente todas las restricciones, por lo que el problema

no tendrá solución, denominándose no factible.

Determinar los puntos extremos o vértices del polígono o poliedro que forma

la región factible. Estos puntos serán los candidatos para la solución óptima.

Evaluar la función objetivo en todos los vértices y aquél (o aquellos) que

maximicen (o minimicen) el valor resultante determinaran la solución óptima

del problema.

Se proporciona un ejemplo del método Gráfico para comprender con mayor

facilidad su desarrollo y aplicación.

Ejemplo método gráfico

Resolver mediante el método Gráfico el siguiente problema:

Maximizar Z = f(x,y) = 3x + 2y

sujeto a: 2x + y ≤ 18

2x + 3y ≤ 42

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3x + y ≤ 24

x ≥ 0 , y ≥ 0

1. Inicialmente se dibuja el sistema de coordenadas asociando a un eje la

variable "x" y al otro la "y" (generalmente se asocia 'x' al eje horizontal e

'y' al vertical), como se puede ver en la figura.

2. Se marca en dichos ejes una escala numérica apropiada a los valores que

pueden tomar las variables de acuerdo a las restricciones del problema.

Para ello en cada restricción se hacen nulas todas las variables excepto

la correspondiente a un eje concreto, determinándose así el valor

adecuado para dicho eje. Este proceso se repite para cada uno de los

ejes.

3. A continuación se representan las restricciones. Comenzando con la

primera, se dibuja la recta que se obtiene al considerar la restricción como

igualdad. Aparece representada como el segmento que une A con B y la

región que delimita ésta restricción viene indicada por el color AMARILLO.

Se repite el proceso con las demás restricciones, quedando delimitadas

la región de color AZUL y ROJO para la segunda y tercera restricción

respectivamente.

4. La región factible es la intersección de las regiones delimitadas tanto por

el conjunto de restricciones, como por las condiciones de no negatividad

de las variables, es decir, por ambos ejes de coordenadas. Dicha región

factible está representada por el polígono O-F-H-G-C, de color VIOLETA.

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Como existe una región factible, se procede a determinar sus puntos extremos,

o vértices del polígono que representa. Estos vértices son los puntos candidatos

a soluciones óptimas. En este ejemplo son los puntos O-F-H-G-C de la figura.

Finalmente, se evalúa la función objetivo (3x + 2y) en cada uno de esos puntos

(resultado que se recoge en la tabla siguiente). Como el punto G proporciona el

mayor valor a la función Z y el objetivo es maximizar, tal punto constituye la

solución óptima: Z = 33 con x = 3 e y = 12.

Punto extremo Coordenadas (x,y) Valor objetivo (Z)

O (0,0) 0

C (0,14) 28

G (3,12) 33

H (6,6) 30

F (8,0) 24

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G. Comparación del método Gráfico y el método Simplex

Las sucesivas tablas construidas durante el método Simplex van

proporcionando el valor de la función objetivo en los distintos vértices de la

región factible, ajustándose, a la vez, los coeficientes de las variables iniciales

y de holgura.

En la tabla inicial se ha calculado el valor de la función objetivo en el vértice

O, cuyas coordenadas (0,0) se corresponden con el valor que tienen las

variables básicas, siendo el resultado 0.

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La variable que entra a la base en el método Simplex determina hacia qué

nuevo vértice se realiza el desplazamiento. En este ejemplo, como entra P1

(correspondiente a 'x'), el desplazamiento se lleva a cabo por la arista OF

hasta llegar al vértice F, donde se calcula el valor que toma la función Z. Este

paso se produce en la segunda iteración del método Simplex, mostrado en la

Tabla II. En ella se ha calculado el valor que corresponde al vértice F

obteniéndose un valor Z = 24 para la función.

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Se realiza un nuevo desplazamiento por la arista FH, hasta llegar a H (datos

en la Tabla III). En esta tercera iteración se calcula el valor de la función en el

vértice H, obteniéndose Z = 30.

Se continúa el proceso a través de la arista HG, hasta llegar al vértice G. Los

datos obtenidos se reflejan en la Tabla IV. En este punto acaba el proceso,

pudiéndose comprobar que la solución no mejora al desplazarse por la arista

GC hasta el vértice C (no supera el valor actual de la función).

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El valor máximo de la función objetivo es 33, y corresponde a los valores x =

3 e y = 12 (coordenadas del vértice G).

Con el método Gráfico es necesario calcular el valor de la función objetivo en

todos los vértices de le región factible, mientras que el método Simplex acaba

en cuanto halla el valor óptimo.

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H. SOLVER

1. ¿Qué es Solver?

El Solver hace parte de un conjunto de programas, algunas veces llamado

de herramientas del análisis hipotética. Con el Solver Ud. puede localizar un

valor inicial para una fórmula en una celda llamada de celda de destino (en

una planilla). El Solver trabaja con un grupo de celdas relacionadas directa

o indirectamente con la fórmula en la celda de destino. El Solver ajusta los

valores variables que Ud. especifica en las celdas – llamadas de celdas

ajustables – para producir el resultado en la celda de destino. Ud. puede

aplicar restricciones, para restringir los valores que el Solver podrá usar en

el modelo y las restricciones al mismo tiempo pueden afectar la fórmula del

destino. Podremos visualizar mejor a través de ejemplos.

Si tienes la necesidad de realizar un pronóstico que involucra más de una

variable, puedes utilizar Solver en Excel. Este complemento ayudará a

analizar escenarios de negocio multivariables y de optimización.

2. Complemento SOLVER para Excel (2013 y posteriores)

Solver es un complemento de Excel que nos ayuda a trabajar con modelos

de negocio y nos permite resolver problemas lineales y no lineales.

Solver está incluido dentro de Excel pero se encuentra desactivado de

manera predeterminada.

Seguimos las capturas de pantalla:

En la figura 1 observamos que en datos no existe el complemento Solver

(puntero del mouse), entonces debemos activar o habilitar.

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Figura 1

En la Figura 2 vamos a archivo

Figura 2

En la Figura 3 escogemos opciones

Figura 3

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En la Figura 4, escogemos complementos

Figura 4

En la Figura 5 hacemos clic a ir

Figura 5

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En la Figura 6 seleccionamos Solver y aceptar.

Figura 6

En la Figura 7 vemos el complemento ya añadido

Figura 7

En la Figura 8 podemos ver los parámetros que se necesitan, según las

condiciones del algún problema a resolver.

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Figura 8

3. Ejemplo de uso de Solver

El ejemplo es el siguiente. Tengo un establecimiento de venta de pizzas que

ofrece dos tipos de pizza tradicionales, Pepperoni ($30) y Vegetariana ($35)

además de la pizza especial Suprema ($45). No sabemos cuál es el potencial

de ingresos del establecimiento y tampoco el énfasis que se debería de dar

a cada tipo de pizza para maximizar las ventas.

Antes de realizar el análisis debemos considerar las siguientes condiciones.

Dada nuestra capacidad de producción solamente podemos elaborar 150

pizzas al día. Otra condición es que no podemos exceder de 90 pizzas

tradicionales (Pepperoni y Vegetariana) y además, al no haber muchos

vegetarianos en el área, estimamos vender un máximo de 25 pizzas

vegetarianas al día. Otra condición a considerar es que solamente podemos

comprar los ingredientes necesarios para producir 60 pizzas Suprema por

día.10

10 https://exceltotal.com/utilizando-excel-solver/

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Con esta información elaboraré la siguiente hoja de Excel:

Observa que en los datos están representadas todas las reglas de negocio

del establecimiento. Para cada tipo de pizza he colocado el total de pizzas a

vender (por ahora en cero), el subtotal de cada una, así como el total de

ventas que está formado por la suma de los subtotales. Además bajo el título

Restricciones he colocado las condiciones previamente mencionadas.

Algo muy importante es establecer las equivalencias para las restricciones.

Por ejemplo, una restricción es que el total de pizzas no puede exceder de

150, pero Excel no necesariamente sabe lo que significa “Total de pizzas”,

así que he destinado una celda para especificar que el total de pizzas es la

suma de las celdas B2+B6+B10. Lo mismo sucede para explicar lo que

significa Pizzas Tradicionales.

Los datos ya están listos para utilizar Solver, así que debes ir a la ficha Datos

y hacer clic en el comando Solver donde se mostrará el cuadro de diálogo

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68

Parámetros de Solver.

En nuestro ejemplo lo que queremos maximizar son las ventas totales por lo

que en el cuadro de texto Establecer objetivo está especificada la celda

$E$1 y por supuesto seleccioné la opción Máx. El otro parámetro importante

son las celdas de variables que en nuestro ejemplo son las pizzas a vender

para cada uno de los diferentes tipos.

Finalmente observa cómo en el cuadro de restricciones están reflejadas las

condiciones de venta del establecimiento. Pon especial atención a la manera

en que se han utilizado las equivalencias que son las celdas $E$10 y $E$11.

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Todo está listo para continuar. Solamente debes hacer clic en el botón

Resolver y Excel comenzará a calcular diferentes valores para las celdas

variables hasta encontrar el valor máximo para las ventas totales. Al término

del cálculo se mostrará el cuadro de diálogo Resultados de Solver.

Solamente haz clic en Aceptar para ver los resultados en la hoja de Excel.

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Excel ha hecho los cálculos para saber que, con las restricciones

establecidas, tendremos un valor máximo de venta total de $5,525. Ahora

fácilmente podrías cambiar los valores de las restricciones y volver a efectuar

el cálculo con Solver para observar el comportamiento en las ventas.

I. DUALIDAD EN PROGRAMACIÓN LINEAL

Los problemas abordados hasta entonces se consideran problemas primales

dado que tienen una relación directa con la necesidad del planteamiento, y

sus resultados responden a la formulación del problema original; sin embargo

cada vez que se plantea y resuelve un problema lineal, existe otro problema

ínsitamente planteado y que puede ser resuelto, es el considerado problema

dual, el cual tiene unas importantes relaciones y propiedades respecto al

problema primal que pueden ser de gran beneficio para la toma de decisiones.

Los problemas primales y duales se encuentran ligados por una serie de

relaciones, saber la existencia de estas puede ser considerado de gran

utilidad para la resolución de problemas que parecen no factibles, o que no

pueden ser resueltos mediante un método en particular.

1. Relaciones entre problemas primales y duales

El número de variables que presenta el problema dual se ve determinado

por el número de restricciones que presenta el problema primal.

El número de restricciones que presenta el problema dual se ve

determinado por el número de variables que presenta el problema primal.

Los coeficientes de la función objetivo en el problema dual corresponden

a los términos independientes de las restricciones (RHS), que se ubican

del otro lado de las variables.

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Los términos independientes de las restricciones (RHS) en el problema

dual corresponden a los coeficientes de la función objetivo en el problema

primal.

La matriz que determina los coeficientes técnicos de cada variable en

cada restricción corresponde a la transpuesta de la matriz de coeficientes

técnicos del problema primal.

El sentido de las igualdades y desigualdades se comporta según la tabla de

TUCKER, presentada a continuación.11

Ejemplo:

1. Max.: 𝑍 = 3𝑥1 + 4𝑥2 + 5𝑥3

Sujeto a:

8𝑥1 + 6𝑥2 + 19𝑥3 ≤ 19

5𝑥1 + 2𝑥2 + 3𝑥3 ≤ 10 → (Primal)

𝑥1, 𝑥2, 𝑥3 ≥ 0

11 https://www.ingenieriaindustrialonline.com/herramientas-para-el-ingeniero-industrial/investigaci%C3%B3n-de-operaciones/dualidad-en-programaci%C3%B3n-lineal/

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Min. 𝑤 = 19𝑦1 + 10𝑦2

Sujeto a:

8𝑦1 + 5𝑦2 ≥ 3

6𝑦1 + 2𝑦2 ≥ 4 → (Dual)

19𝑦1 + 3𝑦2 ≥ 5

𝑦1, 𝑦2 ≥ 0

2. Max.: 𝑍 = 3𝑥1 + 4𝑥2 + 5𝑥3

Sujeto a:

8𝑥1 + 6𝑥2 + 19𝑥3 ≤ 19

(*) 5𝑥1 + 2𝑥2 + 3𝑥3 = 10 → (Primal)

𝑥1, 𝑥2, 𝑥3 ≥ 0

Tomando la igualdad (*)

Si a=b → a ≥ b ^ b ≤ a

5𝑥1 + 2𝑥2 + 3𝑥3 = 10 <==> {5𝑥1 + 2𝑥2 + 3𝑥3 ≤ 105𝑥1 + 2𝑥2 + 3𝑥3 ≥ 10

→ {5𝑥1 + 2𝑥2 + 3𝑥3 ≤ 10

−5𝑥1 − 2𝑥2 − 3𝑥3 ≤ −10

Luego tenemos lo siguiente:

Max.: 𝑍 = 3𝑥1 + 4𝑥2 + 5𝑥3

Sujeto a:

8𝑥1 + 6𝑥2 + 19𝑥3 ≤ 19

5𝑥1 + 2𝑥2 + 3𝑥3 ≤ 10

−5𝑥1 − 2𝑥2 − 3𝑥3 ≤ −10

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Y la forma Dual:

Min.: 𝑤 = 19𝑢1 + 10𝑢2 − 10𝑢3

Sujeto a:

8𝑢1 + 5𝑢2 − 5𝑢3 ≥ 3

6𝑢1 + 2𝑢2 + 2𝑢3 ≥ 4

19𝑢1 + 3𝑢2 − 3𝑢3 ≥ 5

𝑢1, 𝑢2, 𝑢3 ≥ 0

Definamos:

𝑢1 = 𝑦1

𝑢1 − 𝑢3 = 𝑦2

Min.: 𝑤 = 19𝑦1 + 10𝑦2

Sujeto a:

8𝑦1 + 5𝑦2 ≥ 3

6𝑦1 + 2𝑦2 ≥ 4

19𝑦1 + 3𝑦2 ≥ 5

𝑦1 ≥ 0, pero 𝑦2 no tiene restricción de signo

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J. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD

El análisis de sensibilidad o postoptimal para los modelos de Programación

Lineal, tiene por objetivo identificar el impacto que resulta en los resultados

del problema original luego de determinadas variaciones en los parámetros,

variables o restricciones del modelo, sin que esto pase por resolver el

problema nuevamente.12

Min.: –𝑍 − 𝑥1 − 0.8𝑥2 − 1.2𝑥3 = 0

Sujeto a:

𝑥1 + 𝑥2 + 2𝑥3 + 𝑥4 = 200𝑥1 + 2𝑥2 + 𝑥3 + 𝑥5 = 160

𝑥1, … . . , 𝑥5 ≥ 0

𝑥1, 𝑥2 → 𝑉𝑎𝑟𝑖𝑎𝑏𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝐻𝑜𝑙𝑔𝑢𝑟𝑎

En forma matricial:

Min.: −𝑍 + 𝐶. �⃗� = 0

Sujeto a: 𝐴�⃗� = �⃗⃗�

Donde:

𝐶 = (−1;−0.8;−1.2; 0; 0)

�⃗⃗� = (2001600

)

𝐴 = (1 1 21 2 1

1 00 1

)

Haciendo el Cuadro Simplex:

12 http://www.programacionlineal.net/sensibilidad.html

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S.O. (120, 0, 40, 0, 0)

𝑍 = −1𝑥120 − 1.2𝑥40 = −168

= (−1.2; −1) (40120

)

Definimos una Matriz 𝐵 = (�⃗�3, �⃗�1)

Esta Matriz se forma con las columnas de la Matriz A original, considerando

las variables básicas finales en el orden vertical (𝑥3𝑥1)

O sea:

𝐵 = (2 11 1

)

𝐵−1 = (1 −1−1 2

)

Definamos �⃗⃗�, como el vector de los coeficientes b finales en orden vertical:

�⃗⃗� = (40120

)

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Hagamos un cálculo:

𝐵−1 𝑏 = (1 −1−1 2

)

(

40⏞200

120⏟160

𝑂𝑟𝑖𝑔𝑖𝑛𝑎𝑙)

= (40120

)

Entonces:

�⃗⃗� = 𝐵−1𝑏

𝑆𝑖𝑒𝑚𝑝𝑟𝑒 𝑠𝑒 𝑐𝑢𝑚𝑝𝑙𝑒𝑏 → 𝑜𝑟𝑖𝑔𝑖𝑛𝑎𝑙

�⃗⃗� → 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙

(No depende de C)

Ahora:

𝐵−1 𝐴 = (1 −1−1 2

) (1 1 21 2 1

1 00 1

) = (0 −1 11 3 0

1 −1−1 2

)

Entonces:

𝐴 = 𝐵−1𝐴 → (𝐴 → 𝑜𝑟𝑖𝑔𝑖𝑛𝑎𝑙

𝐴 → 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙)

Se define:

𝛿 = (𝐶3, 𝐶1)

El vector 𝛿 se forma considerando los coeficientes C originales

correspondientes a las variables básicas finales en el orden vertical:

Luego:

𝛿 = (−1.2; −1)

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Hagamos el cálculo: 𝐶 = 𝐶

𝐶 − 𝛿 𝐵−1 𝐴 =? ? ?

𝐶—(1.2; −1) (0 −1 11 3 0

1 −1−1 2

)

= (−1; −0.8; −1.2; 0; 0) − (−1; −1.8; −1.2; −0.2; 0.3)

= (0, 1, 0, 0.2, 0.8) = 𝐶𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 = 𝐶

Entonces:

𝐶 = 𝐶 − 𝛿 𝐵−1 𝐴 → (𝐶 → 𝑜𝑟𝑖𝑔𝑖𝑛𝑎𝑙

𝐶 → 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙)

(No depende de b)

También:

𝑍𝑂𝑝𝑡𝑖𝑚𝑜 = 𝛿�⃗⃗�

El Análisis de Sensibilidad permite, basado en la solución del PPL original,

encontrar la solución de un problema modificado por cambios discretos en los

parámetros del problema original.

a) Cambio en b

𝑏 → 𝑏 + ∆𝑏

Como 𝐶 no cambia, entonces la solución sigue siendo óptima siempre

que sea factible.

La condición de factibilidad sería:

Nuevo �̅� = �̿� = 𝐵−1(𝑏 + ∆𝑏)

= 𝐵−1𝑏 + 𝐵−1∆𝑏

�̿� = �̅� + 𝐵−1∆𝑏

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Si �̿� ≥ 0 → está bien (sigue siendo factible)

Si no es así, entonces la solución no sigue siendo factible

Ejemplo:

1. ¿Cuánto puede variar b1 para que la solución siga siendo la misma? En

nuestro problema anterior b1 = 200

∆𝑏 = (∆𝑏1∆𝑏2

) = (∝0)

�̿� = (40120

) + (1 −1−1 2

) (∝0) = (

40+∝120−∝

) ≥ 0

Entonces:

40 ≤∝≤ 120160 ≤ 𝑏1 ≤ 320

¿Qué sucede si No se cumple la condición de factibilidad?

i) Cambia �⃗⃗� 𝑝𝑜𝑟 �̿� en el último cuadro Simplex

ii) Multiplicar por (-1) las filas con coeficientes b negativo

iii) Agregar las variables artificiales necesarias

iv) Hacer una Fase I para eliminar las variables artificiales

v) Hacer una Fase II

Si esto fuese demasiado largo, conviene hacer el problema desde el principio.

Sea ∝= 200

→ �̿� = (240−80

)

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FASE II

f.o. –𝑍 − 𝑥1 − 0.8𝑥2 − 1.2𝑥3 = 0

De la 1ra. Ecuación del último cuadro (eliminado x6)

𝑥1 + 2𝑥2 + 𝑥3 + 𝑥5 = 160

𝑀𝑖𝑛.−𝑍 + 0.2𝑥1 + 1.6𝑥2 + 1.2𝑥5 = 192

Como todos los coeficientes son positivos, estaremos en la solución óptima:

→ 𝑆.𝑂.= (0,0,160,80,0)𝑍𝑜𝑝𝑡. = −192

¿Cuánto varia Z, cuando se cumple la condición de factibilidad?

Antiguo 𝑍𝑜𝑝𝑡. = 𝛿. �̅�

Nuevo 𝑍𝑜𝑝𝑡. = 𝛿. �̅� = 𝛿. (�̅� + 𝐵−1∆𝑏)

= 𝛿. �̅� + 𝛿𝐵−1∆𝑏⏟ ∆𝑧

𝑍𝑜𝑝𝑡. = 𝑍𝑜𝑝𝑡. + ∆𝑧

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b) Cambio en C

𝐶 → 𝐶 + ∆𝐶

→ 𝛿 → 𝛿 + ∆𝛿 (𝛿 𝑑𝑒𝑝𝑒𝑛𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝐶)

𝑛𝑢𝑒𝑣𝑜 𝐶̅ = 𝐶̿ = (𝐶 + ∆𝐶) − (𝛿 + ∆𝛿 )𝐵−1𝐴

= 𝐶 − 𝛿𝐵−1𝐴 + ∆𝐶 − 𝐴𝛿𝐵−1𝐴

𝐶̿ = 𝐶̅ + ∆𝑐 − ∆𝛿𝐵−1𝐴

Ahora sí:

𝐶̿ ≥ 0, la solución sigue siendo óptima ya que los cambios en C no

implican en los cambios en b.

Si algún componente de 𝐶̿ < 0, habrá que continuar con la Fase II

Antiguo 𝑍𝑜𝑝𝑡𝑖𝑚𝑜 = 𝛿. �̅�

Nuevo 𝑍𝑜𝑝𝑡𝑖𝑚𝑜 = (𝛿 + ∆𝛿)�̅�

= 𝛿�̅� + ∆𝛿�̅�⏟∆𝑧

𝑍𝑜𝑝𝑡. = 𝑍𝑜𝑝𝑡. + ∆𝑧

Ejemplo: (del ejemplo anterior)

Supongamos que 𝐶2 (−0.8) → −2

∆𝐶 = (0,−1.2, 0, 0, 0)

∆𝛿 = (0,0)

𝐶̿ = 𝐶̅ + ∆𝐶 = (0,1,0,0.2,0.8) + (0,−1.2,0,0,0) = (0,−0.2, 0, 0.2, 0.8) ≥ 0

Como hay un 𝐶̿ < 0

Fase II:

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c) Cambio en A

Los cambios en la Matriz A pude ser originados de 3 formas:

- Cambios en los coeficientes 𝑎𝑖𝑗

- Nuevas filas (se agregan restricciones)

- Nuevas columnas (se agregan variables)

Los dos primeros cambios son más difíciles de analizar y en general es

preferible a nuestro nivel resolver el nuevo problema.

Aquí analizaremos el 3er. caso:

Supongamos que a nuestro problema le agregamos nuevas variables (en

nuestro ejemplo 𝑥6 + 𝑥 +⋯) con sus respectivos C, al finalizar el cuadro

Simplex sus coeficientes Ci estarán dados por:

𝐶�̅� = 𝐶𝑖 − 𝛿𝐵−1�⃗�𝑖

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Si 𝐶�̅� ≥ 0 entonces la solución seguirá siendo óptima (𝐶𝑖, … 𝐶5 ≥ 0). En

caso contrario se agregan nuevas columnas al último cuadro simplex y se

continúa con la Fase II.

Por ejemplo:

Agregamos 𝑥6 (𝑐6 = 𝛽) �⃗�6 = (21.5)

𝑐6 = 𝛽 − (1.2, −1) (1 −1−1 2

) (21.5)

= 𝛽 − (−1.2, −1) (0.51)

𝑐6 = 𝛽—(−1.6) = 𝛽 + 1.6 ≥ 0 𝑠𝑖 𝛽 ≥ −1.6

Si 𝛽 + 1.6 ≤ 0 → habrá que hacer Fase II (𝛽 ≤ −1.6)

Así: 𝛽 = −2 → 𝑐6 = −0.4

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CAPÍTULO III: MODELOS DE PERT-CPM

Se han resuelto con éxito diversos problemas industriales, y administrativos con

la ayuda de modelos y técnicas cuantitativas los cuales se conocen como redes.

Estos problemas incluyen la construcción de una presa; la determinación de la

ruta de transporte más económica o más corta entre dos lugares; la construcción

de un avión; la planeación, programación y control de la construcción de armas

militares; la determinación política de flujo máximo y de expansión óptima para

un sistema de gasoductos; el implante de un nuevo sistema de computación; y

el diseño, introducción y comercialización de un producto nuevo. Aquí

centraremos el estudio en problemas que pueden clasificarse como

administración de proyectos.13

PERT

Program Evaluations and Review Technique. (Técnica de revisión y evaluación

de programas)

CPM

Critical Path Method (Metodode la ruta crítica).

Veremos en forma específica como se utiliza el PERT para determinar:

1. Fecha general esperada de terminación de un proyecto.

2. Fechas necesarias de inicio o término de tareas específicas que conforman

un proyecto.

3. Identificar las tareas críticas.

Veremos en forma específica como se utiliza el CPM para determinar la forma

en que puede reducirse el tiempo general de terminación de un proyecto.

13 xa.yimg.com/kq/groups/21880819/649259048/name/index.doc

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ASPECTOS GENERALES PERT

PERT se desarrolló en la década de 1950 y se utilizó en forma amplia en la

administración de proyectos militares de investigación y desarrollo.

Su primera aplicación importante fue en el proyecto de los misiles Polaris para la

U.S. Navy.

El PERT fue desarrollado específicamente por el Departamento de la Defensa

de los Estados Unidos de Norteamérica para dar apoyo a la planeación,

programación y control de una gran cantidad de trabajos (actividades) asociados

con el proyecto.

PERT también se ha implementado y utilizado en la industria de la construcción,

empresas industriales, instalaciones de activos fijos, el diseño de plantas, la

planeación y la administración de programas de investigación y desarrollo, etc.

Una característica principal del PERT es que puede manejar las incertidumbres

que existen en los pronósticos de tiempos para determinar diversas tareas

ASPECTOS GENERALES CPM

CPM fue desarrollado independientemente de PERT, pero está estrechamente

relacionado con éste, se refiere básicamente a los intercambios entre el costo de

un proyecto y su fecha de terminación.

Se aboca a la reducción del tiempo necesario parta concluir una tarea o

actividad, utilizando más trabajadores y/o recursos, lo cual, en la mayoría de los

casos significa mayores costos.

Con CPM, se supone que el tiempo necesario para concluir las diversas

actividades del proyecto se conoce con certidumbre, al igual que la cantidad de

recursos que se utilizan.

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Al principio ambas técnicas se utilizan en forma independiente, pero, en la

actualidad, ha desaparecido en gran medida la distinción de uso entre PERT y

CPM. La mayoría de las versiones computarizadas de las técnicas incluyen

opciones para manejar incertidumbres en los tiempos de las actividades, así

como también análisis de intercambios de tiempos y costos. Además gran parte

de la literatura actual se refiere a la técnica en forma colectiva como PERT/CPM.

TERMINOLOGIA PERT/CPM

Definición de actividades y relación de procedencia

La primera parte del proceso PERT/CPM consiste en identificar todas las tareas

o actividades asociadas con el proyecto y sus interrelaciones. Veamos un

ejemplo, un proyecto de un ajuste general de un motor.

Código de

actividad

Descripción de la actividad Predecesores

inmediatos

A Sacar y desarmar motor ------

B Limpiar y pintar la base A

C Rebobinar la armadura A

D Reemplazar anillos A

E

Ensamblar e instalar el motor en la base

B, C, D.

Para el ejemplo se requieren de 5 actividades; es evidente que el número de

actividades variará según el tipo de proyecto.

En cualquier caso, el punto clave es tener, en esta etapa de planeación, una lista

precisa y exhaustiva de actividades (y las relaciones correctas de precedencia

entre ellas).

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Además cabe destacar en el ejemplo anterior se tiene una columna de

“Predecesores inmediatos”. Para cada actividad determinada, deben terminarse

todas las precedentes inmediatas antes que poder comenzar esa actividad. En

el ejemplo, las actividades B, C y D no pueden comenzar sino hasta que la

actividad A se haya terminado.

ESTRUCTURA DE RED

Una vez que se ha elaborado una lista completa y precisa de actividades y de

sus predecesoras, es posible ilustrar en forma gráfica sus relaciones. Antes del

desarrollo de PERT se utilizaban diagramas de barras que fueron diseñados por

H.L. Gantt, y a los que con frecuencia se denominaba grafica o carta Gantt.

Ejemplo

1. Características

Conceptualmente correcta

Poco clara la relación de precedencia (ejemplo ¿las actividades E y F

dependen de B o D? ¿La actividad D depende de que se termine A y C,

sólo A, solo C o ninguna de ellas?

1 3 4 5 2 6 7 8 9

A

C

D

E

F

G

H

B

TIEMPO (SEMANAS)

ACTIVIDADES

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2. Diagrama de red

Ejemplo

a. Características

La red consta de diversos círculos (1 al 6) e interconectadotes por flechas

(A, B, C, D y E). En terminología de redes, los círculos se denominan nodos,

y las flechas que los conectan se denominan ramas o arcos. En una red

particular como la PERT/CPM, las flechas o ramas representan actividades

y los círculos o nodos se denominan eventos. Las actividades implican

tiempo y por lo general consumen recursos como mano de obra, material o

dinero. Los eventos no consumen ni tiempo ni recursos sino que, más bien,

sirven como “puntos de referencia del proyecto y representan los puntos

lógicos de conexión para asociar las diversas actividades.

Si realizamos una comparación de la carta Gantt y la red, vemos claramente

que en esta última las precedencias están representadas apropiadamente.

3

2 5 6

4

REBOBINAR LA

ARMADURA

FICTICIA

ENSAMBLAR

E INSTALAR

EL MOTOR

EN LA BASE

SACAR

Y

DESARMAR

LIMPIAR

Y PINTAR

D

C A

B

E 1

FICTICIA

Reemplazar

Los anillos

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b. Elaboración de la red

(Observando la tabla en que se listan las actividades y sus relaciones de

precedencia, y el diagrama de red podemos inferir que su elaboración es

bastante simple. ¡CORRECTO!)

No existe procedimiento secreto para elaborar con éxito una red adecuada;

sin embargo, existen diversas reglas que deben tomarse en cuenta, al igual

que algunas “sugerencias” que pueden facilitar la tarea de elaborar la red.

1. Antes de que pueda comenzar una actividad, todas las actividades

precedentes deben haber terminado.

2. Las flechas indican sólo precedencia lógica; ni su longitud ni su dirección

tienen significado.

3. Cada flecha (actividad) debe comenzar y terminar en un nodo de evento.

4. Ningún par de nodos de la red puede estar directamente conectado por

más de una flecha.

5. Cuando se enumeran los nodos es aconsejable, y en particular en una red

grande, utilizar múltiplos de 10 para que sea fácil incorporar cualquier

cambio o adicionen futuros.

6. Todas las flechas de la red deben estar dirigidas, más o menos, de

izquierda a derecha.

7. La clasificación de las actividades no debe ser más detallado que lo que

se requiere para representar un plan de acción lógico y claramente

definido.

Uno de los errores comunes que se cometen en la lógica de las redes es

colocar las actividades en la red con base en algún sentido del tiempo.

Ejemplo:

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c. Actividades ficticias

Si observamos el diagrama anterior tenemos dos actividades ficticias, las

cuales se representan por flechas punteadas, estas consumen cero tiempo

y cero recursos. Se utilizan las actividades ficticias para mostrar relaciones

correctas entre actividades y/o para evitar tener que conectar en forma

directa dos nodos a través de más de una flecha.

3 2 4

7

PONER LA

DIRECCION EN

INSERTAR LOS

CHEQUES EN

PONER EN

EL CORREO

EXAMINAR LAS

FACTURAS

ELABORAR

LOS CHEQUES

1

COLOCAR LAS

ESTAMPILLAS

6 5

DIAGRAMA SECUENCIAL DE RED PARA PAGAR FACTURAS

3

2

4

7

PONER

DIRECCION EN

SOBRES

INSERTAR CHEQUES EN

SOBRES

PONER

SOBRE CORREO EXAMINAR LAS FACTURAS

ELABORAR

CHEQUES

1

PONER

ESTAMPILLA

6

5

ARTIFICIAL

ARTIFICIAL

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ANALISIS DE UNA RED PERT/CPM

1. Sharp Company

Código de

actividad

Descripción de la

actividad

Predecesores

inmediatos

Tiempo esperado

para terminar

(semanas)

A Diseñar producto --- 6

B Diseñar el envase --- 2

C Ordenar y recibir los

materiales para el

producto

A

3

D Ordenar y recibir los

materiales para el

envase

B

3

E Fabricar el producto C 4

F Fabricar el envase D 3

G Envasar el producto E 6

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H Prueba de mercado

del producto

F

4

I Prueba de mercado

del envase

G, H

1

J Entregar a los

distribuidores

I 2

2. Cálculos básicos de la programación

Una vez elaborada la red PERT/CPM, puede concentrarse la atención en

determinar la fecha esperada de terminación para el proyecto y el programa

de actividades.

3. Importancia de conocer la fecha de término

Competencia entre varias empresas

Si se opera en base a incentivos por fecha de término.

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Si sumamos todos los tiempos esperados de las actividades de la tabla, se

tiene 34 semanas como duración del proyecto.

4. Ruta critica

Se calcula la duración del proyecto determinando la ruta crítica (camino

crítico) para la red.

Toda red tiene dos o más rutas, una o más de las cuales serán críticas.

Analicemos el caso de la Sharp Company

Las actividades A, C, E, G, I y J forman una ruta que conecta los nodos 1, 2,

3, 4, 8, 9 y 10 de la red.

Las actividades B, D, F, H, I y J, forman una ruta que conecta los nodos 1,

5, 6, 7, 8, 9 y 10 de la red.

Puesto que la terminación de un proyecto requiere que se terminen todas las

rutas de la red, la duración de la ruta más larga de la red es la ruta crítica.

5. Para el caso de la Sharp Company.

La ruta ACEGIJ requiere 22 semanas (RUTA CRITICA)

La ruta BDFHIJ requiere 15 semanas.

Si se demora cualquier actividad sobre la ruta crítica, se demora el proyecto

completo. Por lo tanto, las actividades que se encuentran sobre la ruta crítica,

se les llama actividades críticas.

¿Cómo reducir el tiempo total del proyecto? en este caso son 22 semanas.

Se deben reducir la duración de una o más de las actividades críticas.

Veamos en forma general, para cualquier red:

(1) Identificar todas las rutas de la red.

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(2) Calcular la duración de cada una de ellas.

(3) Elegir la ruta más larga (critica).

Este procedimiento es muy poco eficiente de analizar una red.

Otro método más eficiente es calcular límites de tiempo para cada actividad

tiempos:

Próximos de iniciación

Lejanos de iniciación

Próximos de terminación

Lejanos de terminación

Y a partir de estos datos calcular la ruta crítica.

Los límites de los tiempos próximos de iniciación y próximos de

terminación se pueden calcular haciendo una revisión hacia adelante de

la red.

Los límites de los tiempos lejanos de iniciación y de terminación se

determinan utilizando una revisión hacia atrás en la red.

6. Revisión hacia delante

Cálculo de los tiempos próximos de iniciación y próximos de terminación.

7. Definición de terminación y notación

a. Tiempo próximo de iniciación

El tiempo próximo de iniciación de una actividad es el tiempo más próximo

posible en que una actividad puede comenzar, el cual se denotara por ESij

donde i y j representan el nodo inicial y final asociados con la actividad.

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b. Tiempo próximo de terminación

El tiempo próximo de terminación para cada actividad, el cual se denota

por EFij, es el tiempo próximo de iniciación más el tiempo que se requiere

para completar la actividad.

Ejemplo para la actividad A de la Sharp Company.

EF12 = ES12 + D12

En donde D12 = 6, el tiempo esperado para la actividad. Si el tiempo

próximo de la iniciación de la actividad A es 0, es decir, ES12 = 0, entonces

EF12 = 0 + 6 = 6.

En la red se utiliza la siguiente clave:

En la red se tendría la siguiente apariencia

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El procedimiento normal para analizar una red consiste en comenzar en

el nodo inicial y suponer que se tiene un tiempo inicial de cero.

Se supone que todas las actividades comienzan tan pronto como es

posible, es decir, tan pronto como han terminado todas las actividades

precedentes asociadas.

Como en nuestro caso (caso Sharp) las actividades A y B no tiene

predecesoras, ES12 = 0 y ES15 = 0; por lo tanto, sus correspondientes

tiempos de terminación son EF15 = 0 + 2 = 2 y EF12 = 0 + 6 = 6.

Una vez calculado el tiempo próximo de terminación para la actividad A,

puede calcularse el tiempo próximo de iniciación de la actividad C; la

actividad C no puede comenzar sino hasta que la actividad A ha sido

terminada. Ídem para la actividad D.

El tiempo más próximo de iniciación de la actividad C, ES23, es igual al

tiempo más próximo de terminación de la actividad A, que es EF12 = 6.

El tiempo más próximo de terminación para la actividad C es su tiempo

próximo de iniciación más su tiempo de duración, o EF23 = ES23 + D23 = 6

+ 3 = 9.

Para la actividad D los tiempos próximos de iniciación y de terminación

son:

ES56 = EF15 = 2

EF56 = ES56 + D56 = 2 + 3 =5

Realizamos el análisis completo hacia adelante

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En los casos en que existen varias actividades precediendo a otra, el

tiempo más próximo de iniciación para esta actividad es igual al mayor de

los tiempos próximos de terminación para todas las actividades

precedentes.

8. Revisión hacia atrás

Calculo de los tiempos lejanos de iniciación y lejanos de terminación.

Este análisis permitirá responder preguntas como

¿Cuánto puede demorarse cada actividad, si es que es posible?

¿Qué tan tarde puede comenzarse una actividad específica sin prolongar

la duración total del proyecto?

9. Definición de términos y notación

a. Tiempo más lejano de iniciación

El tiempo más lejano de iniciación para una actividad, LSij es el tiempo más

lejano o más tarde en el que una actividad puede comenzar sin demorar la

fecha de terminación del proyecto.

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b. Tiempo más lejano de terminación

El tiempo más lejano de terminación para una actividad, LFij es el tiempo

más lejano de iniciación más el tiempo que dura la actividad Dij

En forma simbólica, estas relaciones son: LFij = LSij + Dij sin embargo es

más apropiado LSij = LFij – Dij.

Para nuestro caso (caso Sharp)

Para comenzar los cálculos, se comienza con el evento final (el nodo 10

en nuestro caso) y se fija el tiempo más lejano de terminación para la

última actividad como el tiempo total de duración calculado en la revisión

hacia adelante, LF9 10 = 22.

Debido a que se requieren dos días para terminar la actividad J, el tiempo

más lejano de iniciación para la actividad J es igual al tiempo más lejano

de terminación menos el tiempo de duración

LS9 10 = LF9 10 – D9 10

LS9 10 = 22 – 2 = 20

Para la actividad I, el tiempo más lejano de terminación es 20, LF89 = 20

y el tiempo más lejano de iniciación es

LS89 = LF89 – D89

LS89 = 20 – 1 = 19

Continuando con el análisis

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Si un nodo determinado tiene más de una actividad que sale de él,

entonces el tiempo más lejano de terminación para cada actividad que

entra al nodo es igual al menor valor de los tiempos más lejanos de

iniciación para todas las actividades que salen del nodo.

10. Tiempo de holgura (flotante)

Después de que se han determinado los límites de tiempo para toda la red,

puede determinarse el tiempo de holgura para cada actividad.

Se define como tiempo de holgura como la longitud de tiempo en la que

puede demorarse una actividad sin ocasionar que la duración del proyecto

general exceda su tiempo programado de terminación.

La cantidad de tiempo de holgura de una actividad se calcula tomando la

diferencia entre sus tiempos más lejanos de iniciación y más próximos de

iniciación, o entre su tiempo más lejano de terminación y el tiempo más

próximo de terminación.

En forma de ecuación:

Fij = LSij – Esij

O

Fij = LFij – EFij

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Ejemplo

Para la actividad B

F15 = LF15 – EF15 = 9 – 2 = 7

O

F15 = LS15 – ES15 = 7 – 0 = 7

11. Resumen de los Cálculos Pert/CPM

Identificar todas las tareas o actividades asociadas con el proyecto.

Identificar las relaciones de precedencias inmediatas para todas las

actividades.

Dibujar la red básica para el proyecto, mostrando todas las relaciones de

precedencia.

Estimar el tiempo esperado de duración para cada actividad.

Empleando una revisión hacia adelante de la red, calcular el tiempo

próximo de iniciación y el tiempo próximo de terminación para cada

actividad.

Utilizando el término esperado de terminación del proyecto, calculado en

la revisión hacia adelante en la red, usar el procedimiento de revisión

hacia atrás para calcular el tiempo más lejano de iniciación y el tiempo

más lejano de terminación para cada actividad.

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Calcular el tiempo de holgura asociado a cada actividad.

Identificar la ruta crítica para la red. Las actividades críticas son las que

tienen un tiempo holgura de cero.

12. Incertidumbre en una red PERT/CPM

Estimación de los tiempos de las actividades

Al aplicar PERT/CPM a proyectos de construcción y mantenimiento, es

posible contar con estimaciones bastante precisas de los tiempos de las

actividades ya que es probable que se disponga de datos históricos y

dado que la tecnología que se utiliza es más o menos estable.

En los proyectos del tipo investigación y desarrollo, en los que la

tecnología cambia con rapidez y los productos no son comunes, es

posible que sea difícil contar con estimaciones precisas de los tiempos de

las actividades.

Con el fin de tener en cuenta la incertidumbre, las personas que

desarrollaron PERT permitieron a los usuarios utilizar tres estimadores para

los tiempos de cada una de las actividades:

El tiempo más probable (tm):

El tiempo que se requiere para terminar la actividad bajo condiciones

normales.

El tiempo pesimista (tp):

El tiempo máximo que se necesitaría para terminar la actividad si se

encontraran demoras considerables en el proyecto.

El tiempo optimista (to):

El tiempo mínimo que se requiere para terminar la actividad si todo ocurre

en forma ideal.

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Utilizando estas tres estimaciones, puede calcularse un tiempo esperado

para la duración de una actividad de acuerdo con la siguiente formula:

Veamos que ocurre con el tiempo con el caso Sharp en el cual se

proporcionan tres estimaciones de los tiempos que se requieren para

terminar cada una de las actividades del proyecto.

Tabla:

Código de

la actividad

Tiempo

optimista(to)

Tiempo mas

probable(tm)

Tiempo

pesimista(tp)

A 3.0 5.5 11.0

B 1.0 1.5 5.0

C 1.5 3.0 4.5

D 1.2 3.2 4.0

E 2.0 3.5 8.0

F 1.8 2.8 5.0

G 3.0 6.5 7.0

H 2.0 4.2 5.2

I 0.5 0.8 2.3

J 0.8 2.1 2.8

Si utilizamos la actividad F como ejemplo, estos datos indican que se

estima que la actividad “fabricar envases” requerirá entre 1.8 semanas

(estimación optimista) y 5.0 semanas (estimación pesimista), siendo su

estimación más probable 2.8 semanas. El valor que sería probable que

ocurriera si la actividad se repitiera varias veces en el tiempo esperado.

te = to + 4tm + tp

6

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13. Comentarios

A pesar que en la mayoría de las aplicaciones de PERT/CPM, las

actividades no se repiten un número grande de veces; más bien, por lo

general ocurren solo una vez. te sigue siendo el mejor estimador único del

tiempo que se requiere para una actividad y es el que tradicionalmente se

utiliza.

14. Variabilidad en los Tiempos de las Actividades

Si aplicamos la fórmula para te a las tres estimaciones para cada actividad

de la tabla anterior, los te resultantes son iguales a los valores de “tiempo

esperado de terminación”, que vimos al principio en el caso Sharp.

te = 1.8 + 4(2.8) + 5.0

6 = 3.0

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Código de

actividad

Tiempo

esperado

para terminar

(semanas)

A 6

B 2

C 3

D 3

E 4

F 3

G 6

H 4

I 1

J 2

Antes de continuar debemos respondernos algunas interrogantes

¿Qué se gana al hacer tres estimaciones?

¿Por qué no simplemente estimar los valores esperados y hacer los

cálculos de PERT/CPM con base en éstos?

La respuesta es:

Se necesita saber qué tan confiables son las estimaciones de los

tiempos esperados.

Lo cual se puede hacer teniendo las tres estimaciones.

Si el tiempo requerido para terminar una actividad es muy grande,

entonces tendremos menos confianza en el tiempo esperado que si el

intervalo fuera menor.

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Por ejemplo: si las tres estimaciones para la actividad “fabricar el

producto” fueran 2, 3 y 4 en vez de 1.8, 2.8 y 5.0 en ambos casos el

tiempo promedio sería 3.0 días; pero en el primer caso tendríamos más

confianza en que estas cifras modificadas fueran más precisas puesto

que tiene menor variabilidad. Un intervalo amplio de las estimaciones

representa una mayor incertidumbre y, por ello, menor confianza en el

tiempo esperado que se calcula.

A menor confianza, la probabilidad de terminar el proyecto hacia una

fecha dada se reduce.

La ventaja de tener tres estimaciones de tiempos es que puede

calcularse la dispersión de los tiempos de las actividades y puede

utilizarse esta información para evaluar la incertidumbre de que el

proyecto se termine de acuerdo con el programa.

Se utiliza la varianza como medida para describir la dispersión o

variación de las estimaciones de los tiempos de las actividades.

La fórmula de la varianza es:

Si la aplicamos al caso Sharp se tiene:

Código de la

actividad

Varianza

t2

A 1.78

B 0.44

C 0.56

D 0.22

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E 1.00

F 0.28

G 0.44

H 0.28

I 0.09

J 0.11

A partir de estos datos, se tiene, que la actividad A tiene un mayor grado

de incertidumbre que la J. (1.78 comprada con 0.11).

15. Variabilidad en la fecha de terminación del proyecto

Al calcular la ruta crítica se utilizaron los tiempos esperados de duración

para los tiempos de las actividades; lo que se obtuvo fue una duración

esperada para el proyecto.

Como es probable que cada actividad varíe en duración en vez de ser fija.

El tiempo de terminación del proyecto será variable, y en particular si

existen variaciones considerables en las actividades de la ruta crítica.

Es “probable” que el tiempo de duración del proyecto varíe positivamente

como negativamente.

La influencia en el tiempo de duración del proyecto no solo es de las

actividades de la ruta crítica, sino que se puede generar otra ruta crítica

debido a la variabilidad de las actividades.

Puesto que la varianza de una actividad da una medida de la variación en

la incertidumbre, puede utilizarse para calcular la variación total en el

tiempo esperado del término del proyecto.

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Al calcular el tiempo esperado de terminación del proyecto, se toman las

varianzas (t2), de las actividades que forman la ruta crítica. Al igual que

con una calcular la varianza del tiempo de terminación del proyecto (t2)

simplemente se suman las varianzas (t2) de las actividades que forman

la ruta crítica.

Caso Sharp: recordemos que la ruta crítica era la que incluía las

actividades A, C, E, G, I y J, con un tiempo esperado de terminación de

22 semanas.

La varianza del proyecto es:

2 = tA2 + tC

2 + tE2 + tG

2 + tI2 + tJ

2

2 = 1.78 + 0.56 + 1.00 + 0.44 + 0.09 + 0.11

2 = 3.98 semanas

Sabemos de la estadística básica que la desviación estándar es igual a la

raíz cuadrada de la varianza ; por tanto, la desviación estándar para la

terminación del proyecto es

= (2)1/2 = (3.98)1/2 2 semanas

En estadística, se sabe que los tiempos de terminación de un proyecto no

están descritos por una distribución beta sino que siguen una distribución

aproximadamente normal o en forma de campana.

(En el desarrollo del PERT se utilizaron una distribución beta para

describir las variaciones en los tiempos de actividades)

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Si hacemos una gráfica se tiene.

Utilizando la distribución normal podemos hacer planteamientos de

probabilidades con respecto a fecha de término del proyecto; dada una

fecha específica de terminación, puede calcularse la probabilidad de que

el proyecto se termine en esa fecha o antes.

Ejemplo se desea saber cuál es la probabilidad de que el proyecto termine

antes de 6 meses (26 semanas).

Primero

Convertir 26 semanas a un valor de Z. (X = 26, = 22 y = 2)

Segundo

Con el valor Z = 2 y una tabla de distribución normal, se encuentra que la

probabilidad asociada es 0.9772. La probabilidad de que el proyecto se

termine en 26 semanas o menos es 0.9772; por tanto, se puede tener

bastante confianza en que el proyecto pueda terminarse hacia esa fecha.

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CONCLUSIONES

La Investigación Operativa es el procedimiento científico que está auxiliado por

modelos y técnicas matemáticas, servible para diseñar y operar a los problemas

complejos de la dirección y administración de grandes sistemas que forman una

organización compleja en las cuales las decisiones son muy importantes y

difíciles de elegir, ya que la eficacia de una decisión sobreguardará la

supervivencia y desarrollo de ésta, al contrario, estaría en camino hacia el

fracaso.

Ante la necesidad de administrar y distribuir, de manera eficiente, materiales

escasos a las distintas operaciones en las que las empresas se ven reflejadas,

es necesario aplicar las técnicas de la investigación de operaciones. Las técnicas

desarrolladas han contribuido a empujar la rápida carrera que llevaba la

investigación de operaciones, e incluso muchas de las técnicas hubiesen

alcanzado un grado de desarrollo extraordinario.

Es por todos conocido el rápido desarrollo que han experimentado, durante el

anterior y presente siglo, el tamaño y la complejidad de las organizaciones

humanas. Por ejemplo, el tamaño de las empresas modernas, implica que las

decisiones administrativas pueden tener un efecto sobre grandes cantidades de

capital y gran número de personas. Los errores pueden ser tremendamente

costosos y una sola decisión equivocada puede requerir años para rectificarse.

Debe observarse que la naturaleza de las operaciones es inmaterial, por lo cual

la Investigación de Operaciones se aplica a las industrias de fabricación, a los

transportes, a la construcción, a las telecomunicaciones (teoría de colas,

telegráfico), a los negocios financieros, a los servicios públicos y, por supuesto,

a las Fuerzas Armadas.

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CUESTIONARIOS

CAPÍTULO I

1. ¿Defina investigación de operaciones?

2. Mencione otra definición de IO

3. La Investigación de Operaciones (IO) o Investigación Operativa es una

rama de...

4. Fases de la investigación operacional

5. ¿Qué es formulación del problema?

6. En un modelo matemático ¿Cuáles son los principales elementos atomar

en cuenta?

7. Responder. Una de las áreas principales de la Investigación de

Operaciones es la...

8. Objetivos de la investigación operacional

9. Aspectos que estudia la IO

10. Orígenes de la IO

CAPÍTULO II

1. ¿Cómo se dividen los Modelos Matemáticos?

2. Programación Lineal es utilizada para analizar modelos donde las

restricciones y la función objetivo son...

3. La función que tenemos que maximizar o minimizar se denomina

4. Un problema de Programación Lineal consiste en

5. Los problemas de Programación Lineal no tienen solución cuando

6. ¿Qué pares de puntos pertenecen al semiplano dado por la ecuación 3x-

5y>2?

(4,2); (-3,4).

(-2,1); (5,2).

(-3,-3); (-1,-2).

(-3,-2); (-4,-1).

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7. ¿Dónde se encuentra la solución óptima en un problema de Programación

Lineal?

8. ¿Qué es el método simplex?

9. Objetivo del método simplex

10. Características del método simplex

11. ¿Cuándo se utiliza el método simplex de dos fases?

12. Explique las fases 1 y dos del método simplex de dos fases

13. Explique el método gráfico

14. ¿Qué es Solver?

15. ¿El complemento Solver viene activado por defecto?

CAPÍTULO III

1. ¿Explique sobre PERT y CPM?

2. Defina PERT

3. Defina CPM

4. ¿En qué década se desarrolló PERT?

5. ¿En qué se utilizó PERT?

6. Aspectos generales de CPM

7. Menciones la terminología PERT, CPM

8. Ventajas PERT y CPM

9. Mencione limitaciones del CPM

10. Explique qué es estructura de red

11. ¿Qué es un diagrama de red?

12. Explique actividades ficticias

REFERENCIAS

A. Bibliográficas

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Ing. Víctor Calle Vivanco – Investigación Operativa (Curso A Distancia de

la Universidad Peruana los Andes) – Primera Edición – 2005.

Raffo lecca – Investigación de Operaciones – Primera Edición – Lima-Perú

– 1997

B. Digitales

https://www.fing.edu.uy/inco/cursos/io/archivos/teorico/todo.pdf

https://www.ingenieriaindustrialonline.com/herramientas-para-el-ingeniero-

industrial/investigaci%C3%B3n-de-operaciones/m%C3%A9todo-simplex/

http://www.investigaciondeoperaciones.net/metodo_simplex_2_fases.html

https://www.ingenieriaindustrialonline.com/herramientas-para-el-ingeniero-

industrial/investigaci%C3%B3n-de-operaciones/dualidad-en-

programaci%C3%B3n-lineal/

http://www.programacionlineal.net/sensibilidad.html

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http://www.monografias.com/trabajos59/investigacion-

operaciones/investigacion-operaciones2.shtml

http://catedraisdefe.etsit.upm.es/wiki/index.php/La_investigaci%C3%B3n_

de_operaciones

http://www.monografias.com/trabajos24/pert-cpm/pert-cpm.shtml

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