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Análise de Sensibilidade Pesquisa Operacional Desenvolvimento do material Julio Loureiro 1ª Edição Copyright © 2021, Afya. Nenhuma parte deste material poderá ser reproduzida, transmitida e gravada, por qualquer meio eletrônico, mecânico, por fotocópia e outros, sem a prévia autorização, por escrito, da Afya. Sumário Análise de Sensibilidade Para Início de Conversa... ............................................................................... 3 Objetivo ‘ ........................................................................................................ 3 1, Mudanças nos Lucros Unitários (Coeficientes da Função Objetivo) ............................................................................................... 4 2. Entrada de uma Nova Variável .................................................................... 6 3. Mudanças nos Valores dos Recursos ..................................................... 13 Referências ........................................................................................................ 16 Para Início de Conversa... Um dos benefícios propiciados pela aplicação das ferramentas da pesquisa operacional é obter a análise da sensibilidade de uma variável. Ao longo desta Unidade de Aprendizagem, teremos a oportunidade de entender um pouco mais sobre como identificar a solução ótima de um problema, utilizando a ferramenta Simplex, bem como conhecer diversas situações nas quais a modificação de uma variável, seja por uma estimativa inicial inadequada ou mesmo pela evolução natural dos fatos, precise de um ajuste e, com isso, sejam trazidas novas soluções para os problemas inicialmente identificados e modelados. O surgimento de programas e de ferramentas informatizadas que auxiliam os analistas e tomadores de decisão na modelagem de novos cenários viabilizou a realização de ajustes necessários a partir da inserção de novos valores ou quantidades. São recursos cada vez mais utilizados para agilizar o trabalho de análise e interpretação dos dados, assim como para abrir espaço para a realização de novas considerações. Objetivo Analisar a sensibilidade de uma variável, considerando a entrada de uma nova variável e a mudança nos valores dos recursos. 3 1, Mudanças nos Lucros Unitários (Coeficientes da Função Objetivo) A análise da sensibilidade da solução ótima ou de pós-otimização para um problema por meio do Método Simplex é o recurso que estabelece as condições para as quais a solução ótima obtida é válida. A solução ótima de um problema é calculada com base nos dados do modelo, os quais podem sofrer alterações que podem ser decorrentes de diversos motivos, tais como: ▪ Os dados foram estimados e, no ato da colocação em prática, precisaram ser ajustados. ▪ Ou pelo surgimento de novas possibilidades, que apareceram após a formulação do modelo. Segundo Longaray (2013), os termos análise de sensibilidade, análise econômica, análise pós-otimização ou interpretação econômica são utilizados de modo análogo por uma diversidade de autores da pesquisa operacional, cujo objetivo é única e exclusivamente o de explicar os mesmos fenômenos. Logo, a análise pós-otimização tem como principal objetivo testar a validade da solução obtida, quando submetida a variações nos coeficientes do modelo original. Vejamos a primeira possibilidade, que é a alteração nos coeficientes da função objetivo. Para tanto, vamos observar uma análise mais aprofundada do tema já abordado no capítulo anterior: o algoritmo Simplex. O Método Simplex faz parte de um grupo de critérios para escolha de soluções básicas, cujo objetivo é o de melhorar o desempenho de um modelo em estudo, além de oferecer um teste para a obtenção de uma solução ótima. Um outro ponto interessante sobre o Método Simplex é que ele parte do princípio de que o problema apresenta uma solução básica inicial. A partir daí, todas as soluções básicas seguintes passam a ser obtidas por meio das variáveis básicas (VB) e por variáveis não básicas (VNB), as quais produzirão novas soluções. Os procedimentos para seleção das variáveis que entram e saem na composição da nova base constituem o principal foco do Método Simplex. Após a análise com os dados inseridos na modelagem inicial, a solução ajustada poderá ser diferente da inicial, considerando as relações e os impactos de cada fator na solução que será obtida após os ajustes. Para demonstrar o funcionamento do Método Simplex, que será muito útil na análise de sensibilidade, utilizaremos como exemplo um modelo que, segundo Oliveira (2019), apresenta uma solução básica inicial, dada pela função objetivo a seguir: 4 Maximizar Z = 3 X1 + 5 X2 Sujeito às restrições: 2 X1 + 4 X2 ≤ 10 (1) 6 X1 + X2 ≤ 20 (2) X1 + X2 ≤ 30 (3) X1 ≥ 0 X2 ≥ 0 As restrições, aqui expressas por inequações, serão transformadas em equações a partir da inclusão das variáveis de folga (XF1, XF2 e XF3). Os modelos com restrições do tipo ≤ e com termos da direita não negativos (10, 20 e 30) têm uma solução básica formada pelas variáveis de folga. 2 X1 + 4 X2 + XF1 = 10 (1) 6 X1 + X2 + XF2 = 20 (2) X1 + X2 + XF3 = 30 (3) X1 ≥ 0 X2 ≥ 0 XF1 ≥ 0 XF2 ≥ 0 XF3 ≥ 0 { { Transcrevendo os dados do modelo com as suas restrições em relação às variáveis de folga no quadro Simplex, teremos: X1 X2 XF1 XF2 XF3 b 2 4 1 10 6 1 1 20 1 1 1 30 Quadro 1: Variáveis de folga no quadro Simplex. Fonte: Elaborado pelo autor. Ao igualarmos X1 e X2 a zero, teremos: 2 x 0 + 4 x 0 + 1 XF1 = 10 0 + 0 + 1 XF1 = 10 XF1 = 10 Da mesma forma, na segunda restrição teremos: 6 x 0 + 1 x 0 + 1 XF2 = 20 0 + 0 + 1 XF2 = 20 XF2 = 20 5 E, finalmente, fazendo a mesma operação na 3ª restrição, teremos: 1 x 0 + 1 x 0 + 1 XF3 = 30 0 + 0 + XF3 = 30 XF3 = 30 Ou seja, com a atribuição do valor zero para X1 e X2 (variáveis não básicas – VNBs), temos que a solução básica inicial será composta exclusivamente com as variáveis de folga XF1, XF2 e XF3 (variáveis básicas – VBs): X1 = 0; X2 = 0; XF1 = 10; XF2 = 20; XF3 = 30. VNB VB 2. Entrada de uma Nova Variável A partir de agora, veremos as fases que compõem o Algoritmo Simplex e as suas relações, que possibilitam a entrada de novas variáveis. Fase 1 – Teste de otimalidade para a solução: Nesta primeira fase, segundo Oliveira (2019), será feita a avaliação do efeito da substituição de uma variável básica (VB) por outra variável não básica (VNB). Tal substituição permite a formação de uma nova solução. Se a entrada de uma VNB puder melhorar o desempenho do sistema, a solução testada não é ótima. Considerando o exemplo da seção 1 desta Unidade de Aprendizagem, veremos que as VNBs X1 e X2 e as VBs são XF1, XF2 e XF3. X1 = 0; X2 = 0; XF1 = 10; XF2 = 20; XF3 = 30. VNB VB Portanto, a função objetivo está escrita com as VNBs. Essa avaliação é possível quando a função objetivo está escrita somente em termos das VNBs. Ainda com base no nosso exemplo, a função objetivo se encontra descrita na forma: Maximizar: Z = 3 X1 + 5 X2 Será alcançada, quando estivermos atribuindo a X1 = 0, X2 = 0, uma solução básica inicial formada pelas variáveis de folga XF1 = 10, XF2 = 20 e XF3 = 30. Analisando a função objetivo e a sua solução inicial X1 = 0, X2 = 0 e Z =0, onde Z = 3 X1 + 5 X2, temos o seguinte quadro: 6 ▪ Se adicionarmos X1 ao conjunto das VBs com valor 1 (deixa de ser zero), o valor de Z passa de Z = 0 para Z= 3, aumentando 3 unidades, exatamente o valor do coeficiente de X1. Z = 3 X1 + 5 X2 Z = 3 x (1) + 5 x (0) Z = 3 + 0 Z = 3 Se X2 for para o conjunto das VBs com valor 1, o valor de Z passa de Z = 0 para Z = 5, aumentando 5 unidades, exatamente o valor do coeficientede X2. Z = 3 X1 + 5 X2 Z = 3 x (0) + 5 x (1) Z = 0 + 5 Z = 5 ▪ Por outro lado, se os coeficientes de X1 ou X2 fossem negativos, a entrada dessas variáveis no conjunto das VBs reduziria o valor de Z, de acordo com seu coeficiente. ▪ Dessa forma, conclui-se que enquanto a função objetivo apresentar VNBs com coeficientes positivos, ela poderá ser incrementada, não sendo considerada, portanto, como a solução ótima. Reescrevendo a função objetivo com todas as variáveis à esquerda: Observe que os coeficientes positivos das variáveis X1 e X2 (VNBs), à direita, tornam-se negativos à esquerda. Ao mudar de lado, trocaram o sinal, portanto os coeficientes negativos das variáveis à esquerda indicam que o valor de Z pode ser incrementado com sua entrada no conjunto das VBs e na mesma proporção do módulo de seu coeficiente (quando os valores se tornam sempre positivos). A partir dessa observação, conclui-se que a solução testada só será ótima quando as VNBs não apresentarem mais coeficientes negativos. Fase 2: Para a realização do cálculo da nova solução básica, devemos considerar: Z = 3x1 + 5x2 Z - 3x1 + 5x2 = 0 7 a. Seleção da variável a entrar na base: Selecione a variável com coeficiente negativo de maior valor absoluto. Para determinarmos a variável que entra no conjunto das VBs, devemos escolher aquela que apresenta o menor valor negativo como coeficiente. Para o nosso exemplo o coeficiente é (-5), logo a variável será X2. Considerando a função objetivo do nosso exemplo, temos: Z = 3 X1 + 5 X2 ou Z - 3 X1 - 5 X2 = 0 Nesse caso, deve-se selecionar a variável X2, pois cada unidade a mais em X2 aumenta Z em 5 unidades, como vimos na fase 1. b. Seleção da variável para sair da base: Selecione a variável que primeiro se anula com a entrada da variável escolhida no item a, no nosso exemplo, X2. Sua indicação pode ser obtida dividindo-se os termos da direita das restrições técnicas pelos seus respectivos coeficientes positivos da variável que entra. 2 X1 + 4 X2 + XF1 = 10 6 X1 + 1 X2 + XF2 = 20 1 X1 + 1 X2 + XF3 = 30 Entra O menor valor positivo indica que a VB dessa linha é a que primeiro se anula e, portanto, deixará o conjunto das VBs. Logo, essa linha será a que sai. 4 X2 = 10 X2 = 10/4 = 2,5 → Sai 1 X2 = 20 X2 = 20/1 = 20 1 X2 = 30 X2 = 30/1 = 30 c. Seleção do elemento pivô: A interseção da coluna da variável que entra no conjunto das VBs e a linha da variável que sai do conjunto das VNBs identificam um elemento comum chamado pivô. A linha da variável que sai é também denominada linha pivô. No caso, a primeira linha é a pivô, e o coeficiente 4 de X2 é o elemento pivô (ver na tabela a seguir). d. Calcular a nova solução Vamos organizar a função objetivo e restrições em uma nova tabela, com colunas formadas pelos coeficientes de cada variável e outra dos termos independentes, conforme mostra a Tabela 1, a seguir: 8 Z X1 X2 XF1 XF2 XF3 b 1 -3 -5 0 0 0 0 0 2 4 1 0 0 10 0 6 1 0 1 0 20 0 1 1 0 0 1 30 Entra Tabela 1: Tabela da nova solução. Fonte: Elaborada pelo autor. Os valores de X1 = -3 e X2 = -5, na primeira linha, vieram da explicação exibida no item a (Seleção da variável a entrar na base), apresentado anteriormente, quando Z foi igualado a zero. Na sequência, fazemos a divisão de todos os elementos da linha pivô pelo valor do elemento pivô (por 4, elemento em itálico na Tabela 1), obtendo uma nova linha com pivô unitário, conforme o exemplo a seguir: Sai (linha pivô) Linha pivô (original): 0 2 4 1 0 0 10 Dividindo-se todos os elementos pelo dito pivô (por 4): 0 0,5 1 0,25 0 0 2,5 Esta última será a nova linha pivô da nossa tabela. O próximo passo será reescrever cada uma das demais linhas, considerando os seguintes procedimentos: 1º – Multiplicar os elementos da nova linha pivô pelo coeficiente da variável que entra da outra linha, com sinal trocado. 2º – Somar termo a termo com os elementos da linha original. Retornando ao nosso exemplo: O coeficiente da variável que entra no conjunto das VBs (X2) na primeira linha é -5. 9 Ficará da seguinte forma: Nova linha pivô 0 0,5 1 0,25 0 0 2,5 Multiplicar por 5 0 2,5 5 1,25 0 0 12,5 + a 1ª linha 1 -3 -5 0 0 0 0 A soma = nova 1 -2,5 0 1,25 0 0 12,5 1ª linha O coeficiente da variável que entra no conjunto das VBs (X2) na terceira linha é 1. Dessa forma, teremos: Nova linha pivô 0 0,5 1 0,25 0 0 2,5 Multiplicar por -1 0 -0,5 -1 -0,25 0 0 -2,5 + a 3ª linha 0 6 1 0 1 0 20 A soma = nova 0 5,5 0 -0,25 1 0 17,5 3ª linha O coeficiente da variável que entra no conjunto das VBs (X2) na quarta e última linhas é 1. Com isso, faremos o mesmo raciocínio: Nova linha pivô 0 0,5 1 0,25 0 0 2,5 Multiplicar por - 1 0 -0,5 -1 -0,25 0 0 -2,5 + a 4ª linha 0 1 1 0 0 1 30 A soma = nova 0 0,5 0 -0,25 0 1 27,5 4ª linha Reescrevendo a tabela completa com os novos valores calculados, teremos que: Z X1 X2 XF1 XF2 XF3 b 1 -0,5 0 1,25 0 0 12,5 0 0,5 1 0,25 0 0 2,5 0 5,5 0 -0,25 1 0 17,5 0 0,5 0 -0,25 0 1 27,5 10 Com base na tabela apresentada anteriormente, podemos extrair a nova solução do problema inicial, onde o valor de Z passa de zero para 12,5. As variáveis que apresentaram valores diferentes de zero passam a ser as variáveis não básicas (VNBs), que foram X1 e XF1. As variáveis que faltam (X2, XF2 e XF3) formam o conjunto das variáveis básicas, cujos valores são VBs X2 = 2,5; XF2 = 17,5 e XF3 = 27,5. No entanto, ainda não podemos dizer que a solução encontrada seja a ótima, pois o coeficiente de X1 na função objetivo é negativo (-0,5). Como existe espaço para uma solução de Z melhor que a obtida, vamos calcular para descobrir qual seria esse valor. Iniciamos com a identificação da variável que entra no conjunto da VBs. Será X1, pois ela apresentou coeficiente negativo de maior valor absoluto na função objetivo. A variável que sai do conjunto das VBs será obtida pela divisão dos termos independentes pelos coeficientes positivos de X1. ▪ Na linha 2: 2,5 ÷ 0,5 = 5 ▪ Na linha 3: 17,5 ÷ 5,5 = 3,18 -> menor valor: sai a variável dessa linha, no caso, XF2 Nova linha pivô = terceira linha ▪ Na linha 4: 27,5 ÷ 1,5 = 18,33 A interseção da coluna da variável que entra no conjunto das VBs e a linha da variável que sai do conjunto das VNBs identificam um elemento comum chamado pivô. A linha onde se encontra o elemento pivô será a linha pivô. Nessa busca de uma nova solução ótima, teremos um novo elemento pivô: 5,5 Z X1 X2 XF1 XF2 XF3 b 1 -0,5 0 1,25 0 0 12,5 0 0,5 1 0,25 0 0 2,5 0 5,5 0 -0,25 1 0 17,5 0 0,5 0 -0,25 0 1 27,5 Entra Para encontrar os novos valores para a nova linha pivô, faremos a divisão de todos os elementos dessa linha (solução anterior que não foi a ótima) pelo valor do elemento pivô. Ou seja, para encontrarmos os valores da nova linha pivô, usaremos como base a linha que sai, dividindo-se todos os seus termos por 5,5. Linha que sai (da solução onde Z = 12,5): 0 5,5 0 -0,25 1 0 17,5 11 Dividindo-se todos os elementos pelo dito pivô (5,5), teremos a nova linha pivô: 0 1 0 -0,045 0,18 0 3,18 Aqui, procederemos como já havíamos feito anteriormente. Vamos reescrever cada uma das demais linhas, seguindo os procedimentos a seguir: 1º – Multiplicar os elementos da nova linha pivô pelo coeficiente da variável que entra da outra linha com sinal trocado. 2º – Somar termo a termo com os elementos da linha original. Como o coeficiente da variável que entra no conjunto das VBs (X1) na primeira linha é -0,5, teremos: Nova linha pivô 0 1 0 -0,045 0,18 0 3,18 Multiplicar por 0,5 0 0,5 0 -0,022 0,09 0 1,59 + a 1ª linha 1 -0,5 0 1,25 0 0 12,5 A soma = nova 1 0 0 1,227 0,09 0 14,09 1ª linha O coeficiente da variável que entra no conjunto das VBs (X1) na segunda linha é 0,5. Com isso, teremos: Nova linha pivô 0 1 0 0,045 0,18 0 3,18 Multiplicar por (-0,5) 0 -0,5 0 0,22 -0,99 0 -1,59 + a 2ªlinha 0 0,5 1 0,25 0 0 2,5 A soma = nova 0 0 1 0,272 -0,09 0 0,91 2ª linha E, finalmente, vamos realizar o mesmo procedimento para a quarta e última linha. Como o coeficiente da variável que entra no conjunto das VBs (X1) na quarta linha é 1,5, o quadro ficará desta forma: Nova linha pivô 0 1 0 0,045 0,18 0 3,18 Multiplicar por (-1,5) 0 -1,5 0 0,067 -0,27 0 -4,77 + a 4ª linha 0 1,5 0 0,25 0 1 27,5 A soma = nova 0 0 0 0,317 -0,27 1 22,73 4ª linha 12 Reescrevendo a tabela com os novos valores calculados, em busca de uma solução ótima, teremos: Z X1 X2 XF1 XF2 XF3 b 1 0 0 1,227 0,09 0 14,09 0 0 1 0,272 -0,09 0 0,91 0 1 0 -0,045 0,18 0 3,18 0 0 0 0,317 -0,27 1 22,73 Com o novo quadro, as variáveis que apresentaram valores diferentes de zero foram XF1 e XF2, sendo, portanto, as variáveis não básicas (VNBs). As demais integram o rol das variáveis básicas (VBs): X1 = 3,18, X2 = 0,91 e xF3 = 22,73. Nesta nova tabela, o valor de Z passou a ser de 14,09. Observe que a função objetivo está escrita em termos das VBs X1, X2 e XF3, pois os coeficientes das VNBs são nulos. O valor de Z passou de Z = 12,5 para Z = 14,09. Essa solução é ótima, uma vez que os coeficientes das VNBs na função objetivo são todos positivos. Se XF1 ou XF2 entrar no conjunto das VBs, o valor de Z diminui, como visto no caso anterior, onde Z = 12,5. A entrada de uma nova variável em um modelo construído para resolver um problema poderá fazer com que as inter-relações existentes se alterem, levando a soluções diferentes daquelas inicialmente imaginadas ou concebidas, quer seja pelo uso de estimativas iniciais diferentes da realidade, ou ainda pela evolução natural das condições nas quais tal modelo venha a ser aplicado, explicadas por outros fatores novos ou que não tenham sido considerados na estimativa inicial, mas que são relevantes para o processo em análise. 3. Mudanças nos Valores dos Recursos Como pôde ser percebido, o Método Simplex permite a busca de uma solução ótima com o auxílio da compreensão das VNBs e das VBs, que, ao serem otimizadas, apresentam a solução ótima para um dado problema. Para Andrade (2015), a análise de pós-otimização ou de sensibilidade da solução ótima tem o objetivo de determinar as condições para as quais a solução ótima obtida é válida. Mas caso algo mude no meio do caminho, como fica? A mudança de um valor para um dado recurso pode ocorrer por conta de diversos fatores, como: ▪ o fato de os dados terem sido estimados na fase de construção do modelo (estimativa feita com base em dados antigos ou incompletos); 13 ▪ surgimento de novas possibilidades de interpretação e uso após a formulação do modelo (evolução do quadro). Com isso, percebe-se que a análise de sensibilidade tem por objetivo verificar a validade da solução obtida, quando submetida a variações nos coeficientes do modelo original. Segue um resumo com os casos mais comuns: 1. Mudanças nos valores dos recursos. 2. Variações nas quantidades de recursos. 3. Variações nos coeficientes da função objetivo. 4. Variações nos coeficientes das atividades. 5. Acréscimo de uma nova variável. 6. Acréscimo de uma nova restrição. Ao considerar a alteração de qualquer um desses fatores anteriormente utilizados no modelo inicial, devemos ter em mente que os resultados poderão ser diferentes, quer seja pelos valores, quantidades ou demais variações que possam ocorrer em relação ao que havia sido inicialmente proposto. Dessa forma, possíveis modificações poderão acontecer pela entrada de mais um veículo em operação, que permite que mais clientes sejam visitados e que eles tenham as suas cargas recebidas ou coletadas em menor tempo. A manipulação de variáveis permite que os gestores decidam quais recursos precisarão ser acionados para um desempenho ótimo na operação ou tarefa em análise. O mesmo raciocínio poderá ser utilizado na análise da composição de uma carteira de ativos, como as ações negociadas em bolsa de valores, nas quais a participação por grupo de risco ou por segmento de mercado poderá ser flexibilizada para se obter uma solução ótima, frente a um cenário que tenha sofrido modificações recentes. Outro ponto possível dessa variação nos valores de uma variável se dá diante da inserção de um novo turno de trabalho em uma fábrica de automóveis. Figura 1: Montadora de automóveis. Fonte: Dreamstime. 14 Com tal medida, teremos, dentro da mesma instalação, as mesmas máquinas, equipamentos e estruturas, abrigando as mesmas operações inicialmente modeladas para um turno, podendo operar em dois turnos. Diante disso, aqueles recursos disponibilizados em nova grade de funcionamento poderão reduzir os custos totais, pois os custos fixos antes alocados em um único turno serão divididos pelas duas novas jornadas de operação. Nesse capítulo, conhecemos um pouco mais sobre a análise de sensibilidade, que também possui outros nomes, como análise econômica, análise pós-otimização ou interpretação econômica, termos que são utilizados de modo análogo por uma diversidade de autores da pesquisa operacional, cujo objetivo é única e exclusivamente explicar os mesmos fenômenos. Tal análise de sensibilidade serve para a busca de resultados ótimos que podem vir da otimização do modelo ou mesmo da modificação dos valores inicialmente estimados, uma vez que eles podem sofrer necessidade de ajuste e/ou atualização em função de terem sido estimados na fase de construção do modelo ou por causa do surgimento de novas possibilidades de interpretação e uso após a formulação do modelo. Os casos mais comuns nos quais se observam tais alterações são decorrentes de mudanças nos valores dos recursos, variações: nas quantidades de recursos, nos coeficientes da função objetivo ou nos coeficientes das atividades, além do acréscimo de uma nova variável ou de nova restrição. 15 Referências ANDRADE, E. L. Introdução à pesquisa operacional: métodos e modelos para análise de decisões. 5 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2015. LONGARAY, A. A. Introdução à pesquisa operacional. São Paulo: Saraiva, 2013. OLIVEIRA, R. L. Pesquisa operacional e otimização. Duque de Caxias, RJ: Unigranrio, 2019. 16 _GoBack Análise de Sensibilidade Para Início de Conversa... Objetivo 1, Mudanças nos Lucros Unitários (Coeficientes da Função Objetivo) 2. Entrada de uma Nova Variável 3. Mudanças nos Valores dos Recursos Referências