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Álgebra (71) · Unidad 5 — Programación lineal en ℝ²

Función objetivo y curvas de nivel: máximo y mínimo

Las curvas de nivel de z = ax + by son rectas paralelas, y al correrlas en un sentido z crece. Si la región es un polígono, el máximo y el mínimo están en vértices: alcanza con una tabla de vértices. Si no es acotada, hay que mirar hacia dónde se escapa la región: puede que no haya máximo, o mínimo, o ninguno de los dos.

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La explicación

La función objetivo

En un problema de programación lineal hay algo que se quiere hacer lo más grande posible (una ganancia, un ingreso) o lo más chico posible (un costo, un tiempo). Casi siempre es una función lineal de las dos variables:

z = a·x + b·y

Se llama función objetivo, y el problema completo se escribe «maximizar (o minimizar) z sujeta a» las restricciones. Si un kiosco gana $ 300 por alfajor y $ 200 por gaseosa, la ganancia es z = 300x + 200y.

Curvas de nivel

Los puntos donde z vale un número fijo k forman la curva de nivel z = k, que es la recta a·x + b·y = k. Por ejemplo, para z = 3x + 2y, la curva de nivel z = 12 es la recta que pasa por (4, 0) y (0, 6): todos los puntos de esa recta dan 12. Tres cosas que hay que tener claras:

La idea del método gráfico

Buscar el máximo de z en la región es buscar el mayor k para el que la recta z = k todavía toca la región. Si la recta se va corriendo en el sentido en que z crece, el último contacto con la región es en un borde: un vértice, o un lado entero si el lado es paralelo a las curvas de nivel. Por eso:

Si la región es un polígono (acotada):
1. Hallá todos los vértices.
2. Calculá z en cada uno: es la tabla de vértices.
3. El mayor valor de la tabla es el máximo y el menor es el mínimo. Siempre existen los dos.
4. Si el máximo se repite en dos vértices vecinos, se alcanza en todo el lado que los une (la arista), no sólo en los dos puntos.

En un polígono no hace falta dibujar ninguna curva de nivel: la tabla alcanza. Pero hay que tener todos los vértices, porque si falta uno la tabla puede mentir.

Regiones no acotadas

Si la región se escapa hacia algún lado, la tabla ya no alcanza: puede que z crezca sin tope por el lado abierto. Hay que mirar las curvas de nivel, o «caminar» por el borde que se escapa:

Por ejemplo, si la región contiene todos los puntos (0, t) con t ≥ 3, sobre ellos z = 2x + 3y vale 3t, que crece sin tope: z no tiene máximo. Y si en algún vértice z es más chica que en todos los demás y z crece hacia los dos lados por donde la región se abre, ese vértice es el mínimo.

¿En cuál de dos puntos?

Una pregunta típica: «una función lineal alcanza su máximo en A o en B; decidir en cuál». Antes de hacer cuentas, fijate si los dos están en la región. Un punto que no cumple las restricciones no puede ser el máximo, cualquiera sea la función.

El control que conviene hacer siempre

Tomá un punto de adentro de la región y calculá z: tiene que dar entre el mínimo y el máximo que encontraste. Si da más que tu máximo, te falta un vértice en la tabla. Y en una región no acotada, evaluá z en un punto lejano del lado abierto: si da más que tu «máximo», el máximo no existe.

Un ejercicio resuelto, paso a paso

Hallar el máximo y el mínimo de z = 2x − y en la región R: x + y ≤ 7 ; x − y ≤ 3 ; x ≥ 0 ; y ≥ 1, e indicar dónde se alcanzan.

Planteo: primero ver si R es acotada. x ≥ 0 e y ≥ 1 la dejan arriba a la derecha, y x + y ≤ 7 la cierra: es un polígono, así que alcanza con la tabla de vértices.

Los vértices:

x = 0 con y = 1 → (0, 1)
y = 1 con x − y = 3 → (4, 1)
x − y = 3 con x + y = 7 → (5, 2)
x + y = 7 con x = 0 → (0, 7)

El tercero sale sumando: 2x = 10, x = 5, y = 2. Los cuatro cumplen todas las restricciones.

La tabla de vértices:

(0, 1) → z = 0 − 1 = −1
(4, 1) → z = 8 − 1 = 7
(5, 2) → z = 10 − 2 = 8
(0, 7) → z = 0 − 7 = −7

Respuesta: el máximo es z = 8, en (5, 2), y el mínimo es z = −7, en (0, 7).

Control: un punto de adentro, (2, 3), da z = 1, que está entre −7 y 8 ✔. Y tiene sentido: z premia la x y castiga la y, así que el máximo está abajo a la derecha y el mínimo arriba a la izquierda.

Dónde se pierde el punto: olvidarse el vértice (4, 1), que sale de una restricción (y ≥ 1) que no es de las «grandes». Acá no cambia la respuesta, pero en otra función podría ser el máximo.

Y uno del nivel del parcial

Sea R: x + 2y ≥ 6 ; 3x + y ≥ 8 ; x ≥ 0 ; y ≥ 0. a) Hallar los puntos esquina de R. b) Determinar, si existen, el máximo y el mínimo de f = 5x + 4y en R. c) Lo mismo para g = x − 2y.

a) Esquinas. Las dos primeras son ≥ y no contienen al origen: R está «afuera», lejos del origen, y no es acotada. Los cortes que sirven:

x = 0 con 3x + y = 8 → (0, 8)
x + 2y = 6 con 3x + y = 8 → (2, 2)
y = 0 con x + 2y = 6 → (6, 0)

Para (2, 2): x = 6 − 2y, 18 − 6y + y = 8, y = 2. Los cortes (0, 3) y (8/3, 0) caen afuera: (0, 3) da 3 < 8 en la segunda, y (8/3, 0) da 8/3 < 6 en la primera.

b) f = 5x + 4y. Tabla: f(0, 8) = 32, f(2, 2) = 18, f(6, 0) = 30. Pero R no es acotada, así que hay que mirar el lado abierto. Por el eje y, los puntos (0, t) con t ≥ 8 están en R y dan f = 4t, que crece sin tope: f no tiene máximo. Como f tiene los dos coeficientes positivos, alejarse del origen la hace crecer por cualquier lado: el mínimo es 18, en (2, 2).

c) g = x − 2y. Por el eje x, (t, 0) con t ≥ 6 da g = t, que crece sin tope: no hay máximo. Por el eje y, (0, t) con t ≥ 8 da g = −2t, que decrece sin tope: no hay mínimo. g no tiene ni máximo ni mínimo, aunque la tabla de vértices dé números (−16, −2 y 6).

Control: en b), un punto de R como (3, 3) da f = 27 ≥ 18 ✔. En c), (100, 0) está en R y da g = 100, más que cualquier valor de la tabla ✔.

Dónde se pierde el punto: contestar «el máximo de f es 32, en (0, 8)» sacándolo de la tabla. En una región no acotada la tabla sólo sirve para el sentido en que z no se escapa.

Dónde se cae la mayoría

Hasta acá la explicación. La práctica es la otra mitad: 7 ejercicios de este tema, en cuatro niveles, que no te dicen sólo si está bien al final sino que te corrigen en cada paso y te explican por qué. Además trae una animación que muestra la idea en movimiento.

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