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06/05/2014 1 MÉTODO SIMPLEX SOLUÇÃO ANALÍTICA DO MÉTODO SIMPLEX Vamos entender a solução analítica com o uso de um exemplo. Considere o seguinte modelo: max Z = 3*X1 + 2*X2 sujeito a X1 + X2 ≤ 6 5*X1 + 2*X2 ≤ 20 X1, X2 ≥ 0 06/05/2014 2 SOLUÇÃO ANALÍTICA DO MÉTODO SIMPLEX INÍCIO Colocar o problema em formato padrão, ou seja: Equações lineares (igualdades); Termos independentes (RHS) não negativos; Variáveis de decisão não negativas. Max Z = 3*X1 + 2*X2 (0) sujeito a X1 + X2 + X3 = 6 (1) 5*X1 + 2*X2 + X4 = 20 (2) X1, X2, X3, X4 ≥ 0 (3) SOLUÇÃO ANALÍTICA DO MÉTODO SIMPLEX PASSO 1 Encontrar uma solução básica inicial para o problema de PL. Atribuir 0 às variáveis de decisão X1 e X2 (variáveis não básicas). Assim: VNB = {X1, X2} e VB = {X3, X4} Solução básica factível: X3 = 6 e X4 = 20 Solução: {X1, X2, X3, X4} = {0, 0, 6, 20} Função Objetivo: Z = 0 06/05/2014 3 SOLUÇÃO ANALÍTICA DO MÉTODO SIMPLEX PASSO 2 Teste de otimalidade: verificar os coeficientes das variáveis não básicas na função objetivo. Se estes não forem positivos, achou-se o ótimo e para-se as iterações. Se algum for positivo, ainda não estamos no ótimo e devemos determinar uma Solução Básica Factível Adjacente melhor. Para tanto temos 3 sub-passos: Definir variável não básica que entrará na base Definir variável básica que sairá da base Transformar o sistema de equações e recalcular a solução básica SOLUÇÃO ANALÍTICA DO MÉTODO SIMPLEX Sub-Passo 2.1: Definir VNB a entrar na base A VNB a entrar na base é aquela que apresentar o maior coeficiente positivo na função objetivo. No nosso exemplo, a F.O. é: max Z = 3*X1 + 2*X2 Dessa forma, a variável X1 entrará na base. 06/05/2014 4 SOLUÇÃO ANALÍTICA DO MÉTODO SIMPLEX Sub-Passo 2.2: Definir VB a sair da base A VB a sair da base é a VB atual que mais restringe o crescimento da variável não básica escolhida para entrar na base. Para definir isso, usamos as restrições que temos e atribuímos 0 às variáveis que permaneceram não básicas (nesse exemplo somente X2). Assim temos: X3 = 6 – X1 X4 = 20 – 5*X1 Como sabemos que as variáveis básicas devem assumir valores não negativos, temos: X3 = 6 – X1 ≥ 0 X1 ≤ 6 X4 = 20 – 5*X1 ≥ 0 X1 ≤ 4 Portanto, X4 deve sair da base, pois limita mais o crescimento de X1. SOLUÇÃO ANALÍTICA DO MÉTODO SIMPLEX Sub-Passo 2.3: Transformar o sistema de equações e recalcular a solução básica Agora temos: VNB = {X2, X4} e VB = {X1, X3} Importante: as equações precisam conter somente uma variável básica, ou seja, uma variável básica com coeficiente 1 e as demais com coeficiente 0. A F.O. deve conter os coeficientes das VB iguais a 0. Dessa forma vamos transformar as equações para que: A equação (2) tenha o coeficiente de X1 igual a 1 (pois foi nesta equação de X4 tinha coeficiente 1) e de X3 igual a 0; A equação (1) tenha o coeficiente de X1 igual a 0 e de X3 igual a 1; A F.O. tenha os coeficientes de X1 e X3 iguais a 0. 06/05/2014 5 SOLUÇÃO ANALÍTICA DO MÉTODO SIMPLEX Continuação Sub-Passo 2.3 Equação de troca da variável básica (de X4 por X1): 5*X1 + 2*X2 + X4 = 20 (2) dividir por 5 X1 + 2/5*X2 + 1/5*X4 = 4 (2.1) A nova equação (1) pode ser obtida subtraindo a mesma por N vezes a nova equação (2.1), sendo neste caso N = 1: X1 + X2 + X3 = 6 (1) menos 1 vezes X1 + 2/5*X2 + 1/5*X4 = 4 (2.1) temos 3/5*X2 + X3 – 1/5*X4 = 2 (1.1) SOLUÇÃO ANALÍTICA DO MÉTODO SIMPLEX Continuação Sub-Passo 2.3 Mudar a F.O. para que o coeficiente de X1 seja 0. Para tanto, pode-se subtrair da F.O. antiga a eq. (2.1) vezes 3: Z = 3*X1 + 2*X2 menos 3 vezes X1 + 2/5*X2 + 1/5*X4 = 4 (2.1) temos Z = 4/5*X2 – 3/5*X4 + 12 (0.1) 06/05/2014 6 SOLUÇÃO ANALÍTICA DO MÉTODO SIMPLEX PASSO 2 Portanto, temos agora o novo sistema: Max Z = 4/5*X2 – 3/5*X4 + 12 (0.1) sujeito a 3/5*X2 + X3 – 1/5*X4 = 2 (1.1) X1 + 2/5*X2 + 1/5*X4 = 4 (2.1) Assim tem-se: VNB = {X2, X4} e VB = {X1, X3} Solução não básica: X2 = 0 e X4 = 0 Solução básica factível: X1 = 4 e X3 = 2 Solução: {X1, X2, X3, X4} = {4, 0, 2, 0} Função Objetivo: Z = 12 SOLUÇÃO ANALÍTICA DO MÉTODO SIMPLEX VOLTAMOS AO INÍCIO DO PASSO 2 Verificamos a otimalidade: A variável X2 ainda tem coeficiente positivo na F.O. NOVA ITERAÇÃO Definir VNB a entrar na base: X2 única variável com coeficiente positivo na F.O. Definir VB a sair da base: Fazendo X4 = 0, tem-se X3 = 2 – 3/5*X2 ≥ 0 X2 ≤ 10/3 X1 = 4 – 2/5*X2 ≥ 0 X2 ≤ 10 Portanto X3 deve sair da base, pois limita mais o crescimento de X2. 06/05/2014 7 SOLUÇÃO ANALÍTICA DO MÉTODO SIMPLEX Continuação da nova iteração Transformar o sistema de equações e recalcular a solução básica Agora temos: VNB = {X3, X4} e VB = {X1, X2} Equação de troca da variável básica (de X3 por X2): 3/5*X2 + X3 – 1/5*X4 = 2 (1.1) dividir por 3/5 (ou multiplicar por 5/3) X2 + 5/3*X3 – 1/3*X4 = 10/3 (1.2) A nova equação (2.1) pode ser obtida subtraindo a mesma por 2/5 da nova equação (1.2) : X1 + 2/5*X2 + 1/5*X4 = 4 (2.1) menos 2/5 de X2 + 5/3*X3 – 1/3*X4 = 10/3 (1.2) temos X1 – 2/3*X3 + 1/3*X4 = 8/3 (2.2) SOLUÇÃO ANALÍTICA DO MÉTODO SIMPLEX Continuação da nova iteração Transformar o sistema de equações e recalcular a solução básica Mudar a F.O.: Subtrair da F.O. antiga (0.1) a Eq. 1.2 vezes 4/5 Z = 4/5*X2 – 3/5*X4 + 12 (0.1) menos 4/5 de X2 + 5/3*X3 – 1/3*X4 = 10/3 (1.2) temos Z = – 4/3*X3 – 1/3*X4 + 44/3 (0.2) 06/05/2014 8 SOLUÇÃO ANALÍTICA DO MÉTODO SIMPLEX PASSO 2 Portanto, temos agora o novo sistema: Max Z = – 4/3*X3 – 1/3*X4 + 44/3 (0.2) sujeito a X2 + 5/3*X3 – 1/3*X4 = 10/3 (1.2) X1 – 2/3*X3 + 1/3*X4 = 8/3 (2.2) Assim tem-se: VNB = {X3, X4} e VB = {X1, X2} Solução não básica: X3 = 0 e X4 = 0 Solução básica factível: X1 = 8/3 e X2 = 10/3 Solução: {X1, X2, X3, X4} = {8/3, 10/3, 0, 0} Função Objetivo: Z = 44/3 Final do Simplex, pois pelo teste de otimalidade, não há variáveis com coeficiente positivo na F.O. FORMA TABULAR DO MÉTODO SIMPLEX no. da equação Variável básica Coeficientes Constante Z X1 X2 ... Xn 0 1 -c1 -c2 ... -cn 0 1 0 a11 a12 ... a1n b1 2 0 a21 a22 ... a2n b2 ... 0 ... ... ... ... ... m 0 am1 am2 ... amn bm 06/05/2014 9 FORMA TABULAR DO MÉTODO SIMPLEX Resolva o seguinte problema: max Z = 3*X1 + 2*X2 sujeito a X1 + X2 ≤ 6 5*X1 + 2*X2 ≤ 20 X1, X2 ≥ 0 FORMA TABULAR DO MÉTODO SIMPLEX Resolução Colocando na forma padrão: max Z = 3*X1 + 2*X2 (0) sujeito a X1 + X2 + X3 = 6 (1) 5*X1 + 2*X2 + X4 = 20 (2) X1, X2, X3, X4 ≥ 0 06/05/2014 10 FORMA TABULAR DO MÉTODO SIMPLEX Resolução Z = 3*X1 + 2*X2 Z – 3*X1 – 2*X2 = 0 Teste Otimalidade: Para maximização se existem VNB com coeficientes negativos, ainda não é a solução ótima. Para minimização se existem VNB com coeficientes positivos, ainda não é asolução ótima. no. da equação Variável básica Coeficientes Constante Z X1 X2 X3 X4 0 Z 1 -3 -2 0 0 0 1 X3 0 1 1 1 0 6 2 X4 0 5 2 0 1 20 FORMA TABULAR DO MÉTODO SIMPLEX Resolução Definir a VNB a entrar na base: Para maximização, escolhe-se a variável com o maior incremento positivo em Z, ou seja, o maior coeficiente negativo na equação 0. Para minimização, escolhe-se a variável com o maior incremento negativo em Z, ou seja, o maior coeficiente positivo na equação 0. No nosso problema (de max.), os coeficientes são -3 e -2, portanto escolhe-se o X1 (coeficiente -3). no. da equação Variável básica Coeficientes Constante Z X1 X2 X3 X4 0 Z 1 -3 -2 0 0 0 1 X3 0 1 1 1 0 6 2 X4 0 5 2 0 1 20 Coluna Pivô 06/05/2014 11 FORMA TABULAR DO MÉTODO SIMPLEX Resolução Definir a VB a sair da base: A variável a sair da base (e tornar-se nula) é aquela que limita mais o crescimento da variável que entrará na base. Para defini-la faz-se o seguinte: Para cada coeficiente (das restrições) positivo na coluna pivô: Dividir a constante (RHS) da mesma linha pelo coeficiente, gerando um quociente para cada linha Escolher a linha com o menor quociente. Esta é a linha pivô. no. da equaçã o Variáve l básica Coeficientes Constant e Z X1 X2 X3 X4 0 Z 1 -3 -2 0 0 0 1 X3 0 1 1 1 0 6 2 X4 0 5 2 0 1 20 6÷1 = 6 20÷5 = 4 FORMA TABULAR DO MÉTODO SIMPLEX Resolução Definir a VB a sair da base: A variável a sair da base (e tornar-se nula) é aquela que limita mais o crescimento da variável que entrará na base. Para defini-la faz-se o seguinte: Para cada coeficiente (das restrições) positivo na coluna pivô: Dividir a constante (RHS) da mesma linha pelo coeficiente, gerando um quociente para cada linha Escolher a linha com o menor quociente. Esta é a linha pivô. no. da equaçã o Variáve l básica Coeficientes Constant e Z X1 X2 X3 X4 0 Z 1 -3 -2 0 0 0 1 X3 0 1 1 1 0 6 2 X4 0 5 2 0 1 20 Linha Pivô Número Pivô 06/05/2014 12 FORMA TABULAR DO MÉTODO SIMPLEX Resolução Transformar o sistema de equações e recalcular a solução básica: Temos que transformar os coeficientes da VNB a entrar na base em 1 (para a equação da linha pivô) e em 0 (para as demais equações). Dica para transformação: Nova linha pivô = linha pivô atual ÷ número pivô Para demais linhas, incluindo Z: Nova linha = linha atual – (coeficiente da coluna pivô da linha atual) * (nova linha pivô) FORMA TABULAR DO MÉTODO SIMPLEX Resolução Transformar o sistema de equações e recalcular a solução básica: Nova linha pivô = linha pivô atual ÷ 5 no. da equaçã o Variáve l básica Coeficientes Constant e Z X1 X2 X3 X4 0 Z 1 -3 -2 0 0 0 1 X3 0 1 1 1 0 6 2 X4 0 5 2 0 1 20 Linha Pivô Atual Número Pivô no. da equaçã o Variáve l básica Coeficientes Constant e Z X1 X2 X3 X4 0 Z 1 -3 -2 0 0 0 1 X3 0 1 1 1 0 6 2 X1 0 1 2/5 0 1/5 4 Nova Linha Pivô 06/05/2014 13 FORMA TABULAR DO MÉTODO SIMPLEX Resolução Transformar o sistema de equações e recalcular a solução básica: Nova equação 1 = equação 1 atual – (1)*(Nova linha pivô) no. da equaçã o Variáve l básica Coeficientes Constant e Z X1 X2 X3 X4 0 Z 1 -3 -2 0 0 0 1 X3 0 1 1 1 0 6 2 X1 0 1 2/5 0 1/5 4 Nova Linha Pivô no. da equaçã o Variáve l básica Coeficientes Constant e Z X1 X2 X3 X4 0 Z 1 -3 -2 0 0 0 1 X3 0 0 3/5 1 -1/5 2 2 X1 0 1 2/5 0 1/5 4 Nova Equação 1 FORMA TABULAR DO MÉTODO SIMPLEX Resolução Transformar o sistema de equações e recalcular a solução básica: Nova equação 0 (F.O.) = equação 0 atual – (-3)*(Nova linha pivô) no. da equaçã o Variáve l básica Coeficientes Constant e Z X1 X2 X3 X4 0 Z 1 -3 -2 0 0 0 1 X3 0 1 1 1 0 6 2 X1 0 1 2/5 0 1/5 4 Nova Linha Pivô no. da equaçã o Variáve l básica Coeficientes Constant e Z X1 X2 X3 X4 0 Z 1 0 -4/5 0 3/5 12 1 X3 0 0 3/5 1 -1/5 2 2 X1 0 1 2/5 0 1/5 4 Nova Equação 0 06/05/2014 14 FORMA TABULAR DO MÉTODO SIMPLEX Resolução - Próxima iteração Teste Otimalidade: Maximização ainda existem VNB com coeficientes negativos, portanto ainda não é a solução ótima. no. da equação Variável básica Coeficientes Constante Z X1 X2 X3 X4 0 Z 1 0 -4/5 0 3/5 12 1 X3 0 0 3/5 1 -1/5 2 2 X1 0 1 2/5 0 1/5 4 FORMA TABULAR DO MÉTODO SIMPLEX Resolução - Próxima iteração Definir a VNB a entrar na base: No nosso problema (de max.), o coeficiente de X2 é negativo, portanto X2 deve entrar na base. no. da equação Variável básica Coeficientes Constante Z X1 X2 X3 X4 0 Z 1 0 -4/5 0 3/5 12 1 X3 0 0 3/5 1 -1/5 2 2 X1 0 1 2/5 0 1/5 4 06/05/2014 15 FORMA TABULAR DO MÉTODO SIMPLEX Resolução - Próxima iteração Definir a VB a sair da base: Eq. 1 2 ÷ 3/5 = 10/3 Eq. 2 4 ÷ 2/5 = 10 Portanto, X3 (eq. 1) deve sair da base: no. da equação Variável básica Coeficientes Constante Z X1 X2 X3 X4 0 Z 1 0 -4/5 0 3/5 12 1 X3 0 0 3/5 1 -1/5 2 2 X1 0 1 2/5 0 1/5 4 no. da equação Variável básica Coeficientes Constante Z X1 X2 X3 X4 0 Z 1 0 -4/5 0 3/5 12 1 X3 0 0 3/5 1 -1/5 2 2 X1 0 1 2/5 0 1/5 4 FORMA TABULAR DO MÉTODO SIMPLEX Resolução - Próxima iteração Transformar o sistema de equações e recalcular a solução básica: Nova linha pivô = linha pivô atual ÷ 3/5 no. da equação Variável básica Coeficientes Constante Z X1 X2 X3 X4 0 Z 1 0 -4/5 0 3/5 12 1 X3 0 0 3/5 1 -1/5 2 2 X1 0 1 2/5 0 1/5 4 no. da equação Variável básica Coeficientes Constante Z X1 X2 X3 X4 0 Z 1 0 -4/5 0 3/5 12 1 X2 0 0 1 5/3 -1/3 10/3 2 X1 0 1 2/5 0 1/5 4 06/05/2014 16 FORMA TABULAR DO MÉTODO SIMPLEX Resolução - Próxima iteração Transformar o sistema de equações e recalcular a solução básica: Nova equação 2 = equação 2 atual – (2/5)*(Nova linha pivô) no. da equação Variável básica Coeficientes Constante Z X1 X2 X3 X4 0 Z 1 0 -4/5 0 3/5 12 1 X2 0 0 1 5/3 -1/3 10/3 2 X1 0 1 2/5 0 1/5 4 no. da equação Variável básica Coeficientes Constante Z X1 X2 X3 X4 0 Z 1 0 -4/5 0 3/5 12 1 X2 0 0 1 5/3 -1/3 10/3 2 X1 0 1 0 -2/3 1/3 8/3 FORMA TABULAR DO MÉTODO SIMPLEX Resolução - Próxima iteração Transformar o sistema de equações e recalcular a solução básica: Nova equação 0 (F.O.) = equação 0 atual – (-4/5)*(Nova linha pivô) no. da equação Variável básica Coeficientes Constante Z X1 X2 X3 X4 0 Z 1 0 -4/5 0 3/5 12 1 X2 0 0 1 5/3 -1/3 10/3 2 X1 0 1 0 -2/3 1/3 8/3 no. da equação Variável básica Coeficientes Constante Z X1 X2 X3 X4 0 Z 1 0 0 4/3 1/3 44/3 1 X2 0 0 1 5/3 -1/3 10/3 2 X1 0 1 0 -2/3 1/3 8/3 06/05/2014 17 FORMA TABULAR DO MÉTODO SIMPLEX Resolução - Próxima iteração Teste Otimalidade: Maximização não existem mais VNB com coeficientes negativos, portanto achamos a SOLUÇÃO ÓTIMA. X1 = 8/3 X2 = 10/3 Z= 44/3 no. da equação Variável básica Coeficientes Constante Z X1 X2 X3 X4 0 Z 1 0 0 4/3 1/3 44/3 1 X2 0 0 1 5/3 -1/3 10/3 2 X1 0 1 0 -2/3 1/38/3 FORMA TABULAR DO MÉTODO SIMPLEX Exercício Um fabricante de móveis deseja determinar o mix ideal de produção, levando em conta lucros de venda dos produtos e quantidade disponível de insumos. A situação atual vem dada na tabela abaixo: 06/05/2014 18 FORMA TABULAR DO MÉTODO SIMPLEX Exercício de Minimização Min Z = 4*X1 – 2*X2 sujeito a 2*X1 + X2 ≤ 10 X1 – X2 ≤ 8 X1, X2 ≥ 0 * Solução: X1 = 0, X2 = 10, X4 = 18, Z = -20 O BIG M Quando tenho restrições de igualdade ou de “>=“ preciso usar de alguns “subterfúgios”. Nesse caso o BIG M. Considere o seguinte modelo: Min Z = 10*X1 + 6*X2 s.a. 4*X1 + 2*X2 >= 24 X1 <= 8 X1 + 2*X2 = 12 X1, X2 >= 0 06/05/2014 19 O BIG M Min Z = 10*X1 + 6*X2 s.a. 4*X1 + 2*X2 – X3 = 24 X1 + X4 = 8 X1 + 2*X2 = 12 X1, X2, X3, X4 >= 0 Min Z = 10*X1 + 6*X2 s.a. 4*X1 + 2*X2 – X3 + a1 = 24 X1 + X4 = 8 X1 + 2*X2 + a2 = 12 X1, X2, X3, X4, a1, a2 >= 0 O BIG M Min Z = 10*X1 + 6*X2 + M*a1 + M*a2 s.a. 4*X1 + 2*X2 – X3 + a1 = 24 X1 + X4 = 8 X1 + 2*X2 + a2 = 12 X1, X2, X3, X4, a1, a2 >= 0 Eliminando a1 e a2 da F.O. equação 0 Z – 10*X1 – 6*X2 – M*a1 – M*a2 =0 + equação 1 * M 4M*X1 + 2M*X2 – M*X3 + M*a1 = 24M + equação 3 * M M*X1 + 2M*X2 + M*a2 = 12M SOMA ---------------------------------------------------------------------------------- Nova equação 0: Z + (5M-10)X1 + (4M-6)X2 – M*X3 = 36M 06/05/2014 20 O BIG M no. da equaç ão Variáv el básica Coeficientes Constan te Z X1 X2 X3 X4 a1 a2 0 Z 1 5M-10 4M-6 -M 0 0 0 36M 1 a1 0 4 2 -1 0 1 0 24 2 X4 0 1 0 0 1 0 0 8 3 a2 0 1 2 0 0 0 1 12 Resolver, neste caso, para minimização. Resultado: {X1, X2, X3, X4, a1, a2} = {4, 4, 0, 4, 0, 0} Z = 64 CASOS ESPECIAIS Múltiplas soluções ótimas Na solução ótima, o coeficiente de uma das VNB for nulo na linha da F.O. Ex. de Maximização: no. da equação Variável básica Coeficientes Constante Z X1 X2 X3 X4 0 Z 1 0 0 2 0 32 1 X1 0 1 1/2 1/4 0 4 2 X4 0 0 1/2 -1/4 1 2 06/05/2014 21 CASOS ESPECIAIS Função Objetivo Ilimitada Quando, em uma das formas tabulares, uma VNB candidata fica impossibilitada de entrar na base porque as linhas de todas as variáveis básicas possuem coeficientes não positivos na coluna da VNB candidata. Ex. de Maximização: no. da equação Variável básica Coeficientes Constante Z X1 X2 X3 X4 0 Z 1 0 0 -3/5 14/5 172/5 1 X2 0 0 1 -1/5 -2/5 4/5 2 X4 0 1 0 0 1 8 CASOS ESPECIAIS Não existe solução ótima Sempre que pelo menos uma das VB assume valores negativos. Ex. de Maximização: no. da equaçã o Variáve l básica Coeficientes Constant e Z X1 X2 X3 X4 a1 0 Z 1 3M+1 0 M 4M+1 0 -16M+6 1 a1 0 -3 0 -1 -4 1 16 2 X2 0 2 1 0 1 0 6
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