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Introdução à modelagem Prof. Silvio Leite 3 Aula: TEORIA DA DECISÃO E SIMULAÇÕES EM NEGÓCIOS Implantação 2019.2 OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM 1.Compreender os fundamentos lógicos e matemáticos da decisão 2.Tomar decisões embasadas em fatos, dados e métodos quantitativos 3.Compreender os modelos de otimização da decisão 4.Aplicar ferramentas de apoio a decisão para resolução de problemas práticos. 3 Aula: Introdução à modelagem Modelos de Otimização: Otimização Linear, Otimização com números inteiros, Otimização não-linear, Modelos Probabilísticos REFERÊNCIAS Básicas SILVA, Ermes Medeiros da. Pesquisa operacional: para os cursos de administração e engenharia: programação linear, simulação.4. Ed. São Paulo: Atlas, 2010. Complementares BARBOSA, Marcos Antônio; ZANARDINI, Ricardo Alexandre Deckmann. Iniciação à pesquisa operacional no ambiente de gestão. 3 ed. Curitiba: Intersabares, 2015. 6 BLACKBOARD Os slides com o conteúdo desta aula estão ao lado do... HTTPS://WWW.YOUTUBE.COM/WATCH?V=N CVEHT30MA4 Situação de certeza, risco e incerteza na tomada de decisão: Nem sempre conseguimos as informações necessárias e, nesse cenário, comumente o processo decisório envolve três situações. São elas: certeza, risco e incerteza. https://www.youtube.com/watch?v=NCvEHT30mA4 https://www.youtube.com/watch?v=NCvEHT30mA4 https://www.youtube.com/watch?v=NCvEHT30mA4 https://www.youtube.com/watch?v=NCvEHT30mA4 https://www.youtube.com/watch?v=NCvEHT30mA4 https://www.youtube.com/watch?v=NCvEHT30mA4 https://www.youtube.com/watch?v=NCvEHT30mA4 https://www.youtube.com/watch?v=NCvEHT30mA4 https://www.youtube.com/watch?v=NCvEHT30mA4 https://www.youtube.com/watch?v=NCvEHT30mA4 https://www.youtube.com/watch?v=NCvEHT30mA4 https://www.youtube.com/watch?v=NCvEHT30mA4 https://www.youtube.com/watch?v=NCvEHT30mA4 https://www.youtube.com/watch?v=NCvEHT30mA4 https://www.youtube.com/watch?v=NCvEHT30mA4 https://www.youtube.com/watch?v=NCvEHT30mA4 https://www.youtube.com/watch?v=NCvEHT30mA4 https://www.youtube.com/watch?v=NCvEHT30mA4 https://www.youtube.com/watch?v=NCvEHT30mA4 1. A TOMADA DE DECISÃO Podemos entender a tomada de decisão como o processo de identificar um problema ou uma oportunidade e selecionar uma linha de ação para resolvê-lo. Um problema ocorre quando o estado atual de uma situação é diferente do estado desejado. Lachtermacher (2009) 1. A TOMADA DE DECISÃO Diante de uma situação na qual uma decisão deve ser tomada entre uma série de alternativas conflitantes e concorrentes, duas opções básicas se apresentam: 1) usar a sua intuição gerencial e 2) realizar um processo de modelagem da situação e realizar exaustivas simulações dos mais diversos cenários de maneira a estudar mais profundamente o problema. Lachtermacher (2009) 12 2. TIPOS DE MODELOS No que se refere aos modelos existe na literatura e na prática de gestão três tipos: os físicos: exemplifica Lachtermacher (2009, p. 5), “os de aeronaves e casas utilizados por engenheiros” 13 [..] modelos existe na literatura e na prática de gestão três tipos: os análogos: representam “as relações utilizando diferentes meios”, como por exemplo “os mapas rodoviários, que representam as rodovias de uma região por meio de traços sobre um papel”. 2. TIPOS DE MODELOS 14 [..] modelos existe na literatura e na prática de gestão três tipos: os matemáticos ou simbólicos, quando representados por relações matemáticas, como equações, inequações, funções ou logica simbólica. Os MODELOS MATEMÁTICOS, são os mais utilizados nas atividades gerenciais. 2. TIPOS DE MODELOS Os modelos simbólicos (matemáticos), em que uma das variáveis representa uma decisão gerencial a ser tomada denominam-se modelos de decisão. Geralmente, as decisões são feitas para que um objetivo seja atingido. 2. TIPOS DE MODELOS Duas características dos modelos matemáticos devem ser ressaltadas. a. O modelo sempre será uma simplificação da realidade. b. Detalhes devem ser incorporados ao modelo de forma cuidadosa para que: • Os resultados atinjam suas necessidades. • Seja consistente com as informações disponíveis. • Seja modelado e analisado no tempo disponível para tal. 2. TIPOS DE MODELOS Os modelos matemáticos podem ser classificados quanto ao nível de incerteza existente entre as relações das variáveis, como modelos determinísticos ou probabilísticos. 2. TIPOS DE MODELOS Modelos matemáticos Determinísticos Modelos em que todas as informações relevantes são assumidas como conhecidas (sem incertezas) Probabilísticos Modelos em que uma ou mais variáveis de decisão não são conhecidas com certeza. Esta incerteza deve ser incorporada ao modelo. 2. TIPOS DE MODELOS 2. TIPOS DE MODELOS Modelos matemáticos 3. PROGRAMAÇÃO MATEMÁTICA Desde a antiguidade vários cientistas tais como Euclides, Newton, Von Neumann, dentre muitos outros, tem dedicado seus estudos a pesquisa do ótimo. A área que estuda Problemas de Otimização é denominada Programação Matemática que engloba uma ampla classe de problemas (CARDOSO, 2011). O termo programação significa que existe um planejamento das atividades. 3.1 PROGRAMAÇÃO LINEAR É um subitem da programação matemática É um dos modelos utilizados em pesquisa operacional. É um modelo de otimização. Tem como objetivo: "Alocar recursos escassos (ou limitados) a atividades em concorrência (em competição)" PROGRAMAÇÃO MATEMÁTICA Programação Linear (LP) Problemas de distribuição de recursos. Problemas de transporte Problemas de planejamento da produção Problemas de corte de materiais, etc. Programação Não Linear Programação Dinâmica Programação Inteira Otimização Global Programação = planejamento de atividades É um subitem da programação matemática 3.1 PROGRAMAÇÃO LINEAR 3.2 APLICAÇÃO DA FUNÇÃO OBJETIVO E DAS RESTRIÇÕES EM PL Problemas de otimização envolvem maximizar (aumentar) minimizar (diminuir) ...uma função (receita, custo, demanda, produção, etc) Função é uma relação entre dois conjuntos na qual existe uma ligação unívoca entre os elementos.(HOUAISS; VILLAR, 2009 apud BARBOSA; ZANARDINI, 2010, p. 31) correspondência unívoca MATEMÁTICA correspondência entre dois conjuntos, na qual a cada elemento do primeiro corresponde um só elemento do segundo univŏcu Função objetivo em PL Se o problema for maximizar z: max z = c1x1 + c2x2 + ...... cnxn Se o problema for minimizar z: min z = c1x1 + c2x2 + ...... cnxn Em ambos os casos c1, c2....... cnxn são números reais e x1, x2 ...... xn são as variáveis do problema 3.2 APLICAÇÃO DA FUNÇÃO OBJETIVO E DAS RESTRIÇÕES EM PL http://www.infopedia.pt/lingua-portuguesa/un%C3%ADvoca;jsessionid=CdXrqXNdTduK6AO3iPQ-ag__ http://www.infopedia.pt/lingua-portuguesa/un%C3%ADvoca;jsessionid=CdXrqXNdTduK6AO3iPQ-ag__ http://www.infopedia.pt/lingua-portuguesa/un%C3%ADvoca;jsessionid=CdXrqXNdTduK6AO3iPQ-ag__ http://www.infopedia.pt/lingua-portuguesa/un%C3%ADvoca;jsessionid=CdXrqXNdTduK6AO3iPQ-ag__ http://www.infopedia.pt/lingua-portuguesa/un%C3%ADvoca;jsessionid=CdXrqXNdTduK6AO3iPQ-ag__ Restrições em PL Alguns exemplos: Um agricultor que deseja plantar diversas culturas, mas que tem um limite de espaço restrição espacial Um investidor que deseja diversificar suas aplicações, mas que possui apenas R$ 100 mil para aplicar restrição de capital Uma transportadora tem como objetivo otimizar as entregas, mas que só pode contar com 18 caminhões restrição de equipamentos 3.2 APLICAÇÃO DA FUNÇÃO OBJETIVO E DAS RESTRIÇÕES EM PL 3.3 FORMA GERAL OU PADRÃO DE UM PROBLEMA DE PL max z = c1x1 + c2x2 + ...... cnxn s.a. a11x1 + a12x2 + ...... a1nxn ≤ b1 a21x1 + a22x2 + ......a2nxn ≤ b2 . . . am1x1 + am2x2 + ...... amnxn ≤ bm X1 ≥ 0, x2 ≥ 0 ...... xn ≥ 0 27 De maneira geral, um problema de tomada de decisão requer solução que atenda as seguintes condições: 1. As variáveis do problema — São os fatores que se quer controlar e aqueles que se deseja saber quanto valem. São esses os elementos que irão representar as variáveis de decisão (incógnitas encontradas na solução do modelo). 3.3 FORMA GERAL OU PADRÃO DE UM PROBLEMA DE PL 28 2. Os parâmetros do problema — Correspondem aos valores fixos do problema. Normalmente são valores financeiros dos dados ou das variáveis que se apresentam no problema, como, por exemplo, o custo fixo para a produção de um determinado produto. 3.3 FORMA GERAL OU PADRÃO DE UM PROBLEMA DE PL 29 3. As restrições —São aqueles aspectos que limitam as combinações e consequentemente as variáveis de soluções possíveis. 4. A função objetivo — É uma função matemática que será usada para maximizar ou minimizar, dependendo do objetivo em relação ao problema focado. 3.3 FORMA GERAL OU PADRÃO DE UM PROBLEMA DE PL 30 Digamos que a empresa Aves & Flora — produza ração para aves. Ela fabrica dois tipos: - a ração Super (para a fase inicial) (x) e - a ração Extra (para a fase de crescimento) (y). Em ambas, mistura 10% de “núcleo de frango de corte”, conforme recomendações dos setores especializados. 3.3 FORMA GERAL OU PADRÃO DE UM PROBLEMA DE PL 31 na Super (x) utiliza 60% de milho moído e 30% de farelo de soja; na Extra (y) utiliza 70% de milho moído e 20% de farelo de soja; 32 A ração Super (x) é vendida por R$ 2,20/Kg A ração Extra (y) é vendida por R$ 2,80/Kg. 33 Informações sobre a matéria-prima: Custo por quilo Estoque mensal milho moído R$ 2,00 100.000 kg farelo de soja R$ 3,00 20.000 kg núcleo frango R$ 0,50 ilimitado 34 A empresa deseja saber qual a quantidade de ração deve ser produzida para maximizar a receita, o que você faria? Aplicar os quatro passos vistos anteriormente Verificar As variáveis do problema Identificar Os parâmetros do problema Levantar As restrições Definir A função objetivo 3 5 Verificar As variáveis do problema Quantidade de ração de cada tipo: Ração Super (x) Ração Extra (y) 36 Identificar Os parâmetros do problema Preço venda da ração; Quantidade de MP: - milho moído; - farelo de soja. - núcleo de frango 37 Levantar As restrições Quantidade de estoque: - Milho; - Farelo de soja Estoque mensal milho moído 100.000 kg farelo de soja 20.000 kg núcleo frango ILIMITADO Restrições: na Super (x) utiliza 60% de milho moído e 30% de farelo de soja; na Extra (y) utiliza 70% de milho moído e 20% de farelo de soja; 38 (x) Super (y) Extra Estoque mensal milho moído 0,6 kg 0,7 kg 100.000 kg farelo de soja 0,3 kg 0,2 kg 20.000 kg núcleo frango 0,1 kg 0,1 kg ilimitado Restrições MP: 0,6 x + 0,7 y ≤ 100.000 (quant. Milho) 0,3 x + 0,2 y ≤ 20.000 (quant. Farelo soja) 39 (x) Super (y) Extra Estoque mensal milho moído 0,6 kg 0,7 kg 100.000 kg farelo de soja 0,3 kg 0,2 kg 20.000 kg núcleo frango 0,1 kg 0,1 kg ilimitado 40 Definir a função objetivo Equação linear que determina a quantidade de ração a ser produzida para maximizar a RECEITA (Y= ax + b) Maximize a RECEITA Max Z = 2,20x + 2,80y Sujeito a: 0,6 x + 0,7 y ≤ 100.000 (quant. Milho) 0,3 x + 0,2 y ≤ 20.000 (quant. Farelo soja) x, y ≥ 0 AVALIAÇÃO FORMATIVA Questão 1. Uma empresa deseja programar a produção de um utensílio de cozinha que requer o uso de dois tipos de recursos – mão-de-obra e material. A companhia está considerando a fabricação de três modelos e o seu departamento de engenharia forneceu os dados a seguir: Modelo A B C Mão-de-obra (horas por unidade) 7 3 6 Material (kg por unidade) 4 4 5 Lucro ($ por unidade) 4 2 3 O suprimento de material é de 200 kg por dia. A disponibilidade diária de mão-de-obra é 150 horas. Formule um modelo de Programação Linear para determinar a produção diária de cada um dos modelos de modo a maximizar o lucro total da empresa. Uma Solução 1. Identificação das variáveis de decisão: XA – produção diária do modelo A XB – produção diária do modelo B XC – produção diária do modelo C 2. Identificação os parâmetros: Modelo A B C Mão-de-obra (horas por unidade) 7 3 6 Material (kg por unidade) 4 4 5 Lucro ($ por unidade) 4 2 3 3. Identificação das restrições: (Limitação de mão-de-obra) 7XA + 3XB + 6XC 150 (Limitação de material) 4XA + 4XB +5XC 200 (Não-negatividade) XA 0, XB 0, XC 0. 4. Identificação do objetivo: maximização do lucro total Lucro Total = L = 4XA + 2XB +3XC Max L = 4XA + 2XB +3XC Modelo A B C Mão-de-obra (horas por unidade) 7 3 6 150 Material (kg por unidade) 4 4 5 200 Lucro ($ por unidade) 4 2 3 Modelo de PL Encontrar números XA, XB, XC tais que: Max (L) = 4XA + 2XB +3XC Sujeito as restrições: 7XA + 3XB +6XC 150 4XA + 4XB +5XC 200 XA 0, XB 0, XC 0 Questão 2. Uma empresa pode fabricar dois produtos (1 e 2). Na fabricação do produto 1 a empresa gasta nove horas-homem e três horas-máquina (a tecnologia utilizada é intensiva em mão-de- obra). Na fabricação do produto 2 a empresa gasta uma hora-homem e uma hora-máquina (a tecnologia é intensiva em capital). A empresa dispõe de 18 horas-homem e 12 horas-máquina para um período de produção. Sabe-se que os lucros líquidos dos produtos são $4 e $1 respectivamente. Quanto a empresa deve fabricar de cada produto para ter o maior lucro? Uma Solução 1. Identificação das variáveis de decisão: X1 – produção diária do modelo 1 X2 – produção diária do modelo 2 2.Identificação os parâmetros: Modelo 1 2 Mão-de-obra (horas por unidade) 9 1 Máquina (horas por unidade) 3 1 Lucro ($ por unidade) 4 1 Na fabricação do produto 1 a empresa gasta nove horas-homem e três horas-máquina Na fabricação do produto 2 a empresa gasta uma hora-homem e uma hora-máquina. Sabe-se que os lucros líquidos dos produtos são $4 e $1 respectivamente. 3. Identificação das restrições: Limitação de Mão-de-obra 9x1 + x2 ≤ 18 Limitação de Máquinas 3x1 + x2 ≤ 12 (Não-negatividade) X1 0, X2 0 4. Identificação do objetivo: maximização do lucro total Lucro Total = L = 4X1 + X2 Max L = 4X1 + X2 Modelo X1 X2 Mão-de-obra (horas por unidade) 9 1 18 Máquina (horas por unidade) 3 1 12 Lucro ($ por unidade) 4 1 Modelo de PL Encontrar números X1 e X2, tais que: Max L= 4X1 + X2 Sujeito as restrições: 9x1 + x2 ≤ 18 3x1 + x2 ≤ 12 X1 0, X2 0 Questão 3. A Gerência está procurando um programa de produção que aumente o lucro da empresa com a fabricação de dois modelos de brinquedos: B1 e B2. • Lucros unitários/dúzia: R$ 8,00 para B1 e R$ 5,00 para B2 • Recursos disponíveis: 1.000 kg de plástico especial. 40 horas para produção semanal. • Requisitos do Departamento de Marketing: Produção total não pode exceder 700 dúzias; A quantidade de dúzias de B1 não pode exceder em 350 a quantidade de dúzias de B2. • Dados técnicos: B1 requer 2 kg de plástico e 3 minutos por dúzia. B2 requer 1 kg de plástico e 4 minutos por dúzia. Uma Solução 1. Identificação das variáveis de decisão: B1 – produção diária do brinquedo 1 B2 – produção diária do brinquedo 2 2.Identificação os parâmetros: Brinquedo B1 B2 Matéria-prima (kg/plástico) 2 1 Máquina (minutos por dúzia) 3 4 Lucro ($ por unidade) 8 5 Dados técnicos:B1 requer 2 kg de plástico e 3 minutos por dúzia. B2 requer 1 kg de plástico e 4 minutos por dúzia. 3. Identificação das restrições: Recursos disponíveis: 2B1 + 1B2 ≤ 1000 1.000 kg de plástico especial. 3B1 + 4B2 ≤ 2400 (40 horas x 60 minutos) para produção semanal. Brinquedo B1 B2 Matéria-prima (kg/plástico) 2 1 1000 Máquina (minutos por dúzia) 3 4 2400 Lucro ($ por unidade) 8 5 Recursos disponíveis: 1.000 kg de plástico especial. 40 horas para produção semanal. 3. Identificação das restrições: Recursos disponíveis: 2B1 + 1B2 ≤ 1000 1.000 kg de plástico especial. 3B1 + 4B2 ≤ 2400 (40 horas x 60 minutos) para produção semanal. Requisitos do Departamento de Marketing: B1 + B2 ≤ 700 Produção total não pode exceder 700 dúzias; B1 - B2 ≤ 350 A quantidade de dúzias de B1 não pode exceder em 350 a quantidade de dúzias de B2. Não negatividade B1 0, B2 0 4. Identificação do objetivo: Lucros unitários/dúzia: R$ 8,00 para B1 e R$ 5,00 para B2 Max L = 8B1 + 5B2 (Lucro semanal) sujeito a: 2B1 + 1B2 ≤ 1000 (Plástico - Kg) 3B1 + 4B2 ≤ 2400 (Tempo de produção - minutos) B1 + B2 ≤ 700 (Produção total) B1 - B2 ≤ 350 (mix) B1 0, B2 0 (Não negatividade) Questão 4. (CARDOSO, 2011 p.50) A empresa TécniBOLA S.A. tem como única atividade a fabricação de bolas, sendo todas elas em couro e fabricadas segundo os processos primordiais. Atualmente fabrica dois produtos, a bola de futebol Catechumbo e a bola de volei Voleitok. Ambos os produtos são feitos do mesmo material, variando apenas na dimensão, tipo de costuras e rotulagem. Os recursos que definem a fabricação das bolas são: o corte do couro, o trabalho de costura, a pintura de inscrições na bola e preparação final. Esta última é composta pelas atividades de enchimento, controle de qualidade (inspeção visual, calibração e pesagem) e embalagem. Para a tomada de decisão, a empresa disponibilizou informações a respeito dos valores monetários envolvidos (em u.m.) nos seus produtos, apresentados a seguir: Bola Custo de Produção Preço de venda Catechumbo 26,00 32,50 Voleitok 15,00 25,00 Os dados fornecidos pela empresa referentes à quantidade de recursos necessários para a produção de cada tipo de bola e as quantidades disponíveis para o dia de amanhã são os indicados na tabela: 59 Como deve ser distribuída a produção amanhã de forma a maximizar o lucro, tendo em conta os recursos existentes? Variáveis de decisão: x: número de bolas Catechumbo a ser produzido amanhã. y: número de bolas Voleitok a ser produzido amanhã. Bola Custo de Produção Preço de venda Lucro Catechumbo 26,00 32,50 6,50 Voleitok 15,00 25,00 10,00 maximizar o lucro Bola Custo de Produção Preço de venda Catechumbo 26,00 32,50 Voleitok 15,00 25,00 max z = 6,5x + 10y Sujeito a: x + y ≤ 25 restrição câmera de ar 25x + 9y ≤ 480 restrição operação de costura 6x + 11y ≤ 240 restrição operação de finalização X ≥ 0 e Y ≥ 0 não negatividade a) max z = 26x + 15y b) max z = 32,5x + 25y c) max z = 6,5x + 10y Questão 5. (FOGLIATTO, s.d. p.6) A Politoy S/A fabrica soldados (x) e trens de madeira (y). Cada soldado é vendido por R$27 e utiliza R$10 de matéria- prima e R$14 de mão-de-obra. Duas horas de acabamento e 1 hora de carpintaria são demandadas para produção de um soldado. Cada trem é vendido por R$21 e utiliza R$9 de matéria- prima e R$10 de mão-de-obra. Uma hora de acabamento e 1 h de carpintaria são demandadas para produção de um trem. A Politoy não tem problemas no fornecimento de matéria prima, mas só pode contar com 100 h de acabamento e 80 h de carpintaria. A demanda semanal de trens é ilimitada, mas no máximo 40 soldados são comprados a cada semana. A Politoy deseja maximizar seus lucros semanais. Formule um modelo matemático a ser utilizado nessa otimização. Max z = 3x + 2y Cada soldado é vendido por R$27 e utiliza R$10 de matéria-prima e R$14 de mão-de- obra. Lucro = 27 – 10 – 14 = 3 Cada trem é vendido por R$21 e utiliza R$9 de matéria-prima e R$10 de mão-de-obra. Lucro = 21 – 9 – 10 = 2 Sujeito a: 2x + y ≤ 100 restrição de horas de acabamento x + y ≤ 80 restrição de horas de carpintaria x ≤ 40 restrição de demanda x ≥ 0; y ≥ 0 restrição de não-negatividade https://www.professormatusalem.com/1 https://www.professormatusalem.com/video-aulas/ensino- superior/pesquisa-operacional/