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1 REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITECNICO SANTIAGO MARIÑO EXTENSION PORLAMAR PROFESOR: INTEGRANTES ALGEBRA LINEAL TRANSFORMACION LINEAL INTRODUCCION A LA PROGRAMACION LINEAL

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1

REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITECNICO SANTIAGO MARIÑO

EXTENSION PORLAMAR

PROFESOR: INTEGRANTES DAVID ORDAN YULLY A. CALDERON C.I:15.643.179 FABIANA RONDON CI: 20.537.804 ELVIS SIFUENTES CI: 22.890.259

PORLAMAR, FEBRERO 2013

ALGEBRA LINEALT R A N S F O R M A C I O N L I N E A L

I N T R O D U C C I O N A L A P R O G R A M A C I O N L I N E A L

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INDICE

INTRODUCCION 3

CONTENIDO 4

Transformaciones lineales 4

Algebra de la transformaciones lineales 7

Suma 7

Multiplicación escalar 7

Multiplicación 8

Núcleo, rango e imagen de una transformación lineal 8

Transformaciones lineales mediante matrices 11

Introducción a la programación lineal 12

Definición geométrica de la programación lineal 14

Tipos de soluciones para un problema de programación lineal 19

Pasos para resolver un problema de programación lineal 21

CONCLUSIÓN 30

BIBLIOGRAFÍA 31

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INTRODUCCIÓN

Una transformación es un conjunto de operaciones que se realizan sobre un vector para convertirlo en otro vector.

Los espacios vectoriales son conjuntos con una estructura adicional, al saber, sus elementos se pueden sumar y multiplicar por escalares del campo dado, conviene utilizar funciones que preserven dicha estructura. Estas funciones se llamaran transformaciones lineales y en el presente capitulo las estudiaremos. Más adelante mostraremos que las transformaciones lineales se pueden representar en términos de matrices, y viceversa.

Se denomina transformación lineal a toda función cuyo dominio e imagen sean espacios vectoriales y se cumplan las condiciones necesarias. Las transformaciones lineales ocurren con mucha frecuencia en el álgebra lineal y en otras ramas de las matemáticas, tienen una gran variedad de aplicaciones importantes. Las transformaciones lineales tienen gran aplicación en la física, la ingeniería y en diversas ramas de la matemática.

La Programación Lineal es una técnica matemática utilizada para dar solución a problemas que se plantean muy comúnmente en diversas disciplinas como Economía, Ingeniería, Sociología, Biología, etc. En esencia trata de maximizar y/o minimizar una función lineal de dos o más variables teniendo en cuenta que las mismas deben cumplir determinadas exigencias derivadas de la escasez de recursos disponibles en la realidad.

Estudiaremos las propiedades de las transformaciones lineales, sus diferentes tipos, así como la imagen, el núcleo, rango y la programación lineal así como los pasos a seguir para poder resolver este tipo de problemas.

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TRANSFORMACIONES LINEALES

Una transformación lineal es un conjunto de operaciones que se

realizan sobre un vector para convertirlo en otro vector. En ocasiones

trabajar con vectores es muy sencillo ya que pueden ser fácilmente

interpretados dentro de un contexto gráfico, lamentablemente no

siempre ocurre y es necesario transformar a los vectores para poderlos

trabajar más fácilmente.

Por otra parte, trabajar con sistemas lineales es mucho más

sencillo que con sistemas no lineales, ya que se puede utilizar una

técnica llamada superposición, la cual simplifica de gran maneragran

variedad de cálculos, por lo que es de gran interés demostrar que un

proceso puede ser reducido a un sistema lineal, lo cual solo puede

lograrse demostrando que estas operaciones forman una

transformación lineal.

Se denomina transformación lineal, función lineal o aplicación

lineal a toda aplicación cuyo dominio y codominio sean espacios

vectoriales y se cumplan las siguientes condiciones:

Sean V y W espacios vectoriales sobre el mismo campo K, y T una

función de V en W. T es una transformación lineal si para cada par de

vectores de u y v pertenecientes a V y para cada escalar k

perteneciente a K, se satisface que:

1. T= (u+v) T(u) + T(v)

2. T(ku) = kT(u) donde k es un escalar.

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5

Los sistemas de ecuaciones lineales son ecuaciones que tienen

incógnitas, las cuales podemos representar en una notación matricial,

se puede utilizar una técnica llamada superposición, la cual simplifica

de gran manera gran variedad de cálculos, por lo que es de gran

interés demostrar que un proceso puede ser reducido a un sistema

lineal, lo cual solo puede lograrse demostrando que estas operaciones

forman una transformación lineal.

A partir de una ecuación lineal podemos hacerle las

transformaciones lineales para tener como resultado escalares.

Por ejemplo

T: R2

R2 dado por T(X, Y)= (2X, X+2Y). Suponiendo que A (2,2) Y

B (1,2). Determinar la T(A+B)

T(A+B)= (2+1, 2+2)

= 2(2)+2(1), 2+2(2)+ 1+2(2)

= (4 + 2 , 6 + 2)

= ( 6 , 11)

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7

ALGEBRA DE LA TRANSFORMACIONES LINEALES

Suma

Se define la suma C=A+B donde A y B son transformaciones

lineales para hace la función C(x)=A(x)+B(x). Puede fácilmente

verificarse que es también y una transformación lineal. Puede verificar

que se dan dos transformaciones lineales A y B, tales que

1. A+B=B+A

2. (A+B)+C=C+(B+A)

3. A+0=A

4. A+(-A)=0 donde 0 es el operador cero, -A es la función -A(x) el

cual puede fácilmente verificar que se ha dado una transformación

lineal.

Multiplicación escalar

Dada una transformación a, definida por la función µA donde

µ es un elemento de un campo para hacer la función (µA)(x) = µ(A(x)).

Usted puede verificar fácilmente que dado las transformaciones lineales

A y B y unos elementos del campo µ, µ1, y µ2, tales que

1. µ1(µ2A) = (µ1µ2)A

2. 1A = A

3. (µ1 + µ2)A = µ1A + µ2A

4. µ(A + B) = µA + µB

Esto implica la forma lineal de las transformaciones en un

espacio de vector

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Multiplicación

Dado una transformación linear A de X a Y y una transformación

linear B de Y a Z, entonces defina la función AB de X a Z para ser la

composición de las dos funciones. Puede verificarse fácilmente de

que esto sea también una transformación lineal. Aquí están algunas

relaciones útiles que pueden ser verificadas fácilmente:

1. µ(AB) = (µA)B

2. (A + B)C = AC + BC

3. C(A + B) = CA + CB

4. (AB)C = A(BC).

NUCLEO, RANGO E IMAGEN DE UNA TRANSFORMACION LINEAL

Si es lineal, se define el núcleo (ker) y la imagen (Im) de de la

siguiente manera:

Es decir que el núcleo de una transformación lineal está formado

por el conjunto de todos los vectores del dominio que tienen por imagen

al vector nulo del condominio.

El núcleo de toda transformación lineal es un subespacio vectorial

del dominio:

1. dado que

2. Dados

3. Dados

Se denomina nulidad a la dimensión del núcleo.

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La imagen de una transformación lineal está formada por el conjunto

de todos los vectores del condominio que son imágenes de al menos

algún vector del dominio.

La imagen de toda transformación lineal es un subespacio del

condominio.

El rango de una transformación lineal es la dimensión de la imagen.

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Una función lineal es la correspondencia.

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11

TRANSFORMACIONES LINEALES MEDIANTE MATRICES

Estas interpretaciones geométricas se son representadas por

matrices elementales de 2 x 2. A continuación se hace un resumen de

los diversos tipos de matrices elementales 2x2 .

Matrices elementales de transformaciones lineales en un plano

Las matrices definidas por las siguientes transformaciones se

denominan reflexiones. Las reflexiones tiene el efecto de mapear un

punto del plano xy Con su imagen “especular”con respecto al os ejes

de de coordenadas o a la recta definida x=y. Como se muestra

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INTRODUCCION A LA PROGRAMACION LINEAL

La Programación Lineal es una pequeña parte de una teoría

matemática que se ha consolidado en el siglo XX con el nombre de

Optimización. En general, se trata de un conjunto de técnicas

matemáticas que intentan obtener el mayor provecho posible de

sistemas económicos, sociales, tecnológicos, ... cuyo funcionamiento se

puede describir matemáticamente de modo adecuado.

Una terminología establecida desde los primeros tiempos de la

Optimización, denominaba a la solución óptima un programa de acción

a poner en práctica; de ahí que la búsqueda de un tal programa de

acción utilizando métodos matemáticos se llamase Programación

Matemática.

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Según las características de las funciones del problema y de las

variables se tienen diferentes tipos de problemas de Programación

Matemática. Si todas las funciones del problema, objetivo y

restricciones son lineales, se tiene un problema de Programación Lineal

Un problema de Programación Lineal consiste en optimizar

(maximizar o minimizar) la función:

z = F ( x1, x2, ... ,xn ) = c1x1 + c2x2 + ... + cnxn

sujeto a:

a11x1 + a12x2 + . . . + a1nxn ≤ = ≥ b

a21x1 + a22x2 + . . . + a2nxn ≤ = ≥ b2

am1x1 + am2x2 + . . . + amnxn ≤ = ≥ bm

x1 , x2 , . . . , xn ≥ 0

A la función z = F ( x1, x2, ... ,xn ) = c1x1 + c2x2 + ... + cnxn se le

denomina función objetivo o función criterio.

Los coeficientes c1, c2, ... , cn son números reales y se llaman

coeficientes de beneficio o coeficientes de costo. Son datos de entrada

del problema.

x1, x2, ... , xn son las variables de decisión (o niveles de actividad)

que deben determinarse.

Las desigualdades ai1x1 + ai2x2 + . . . + ainxn ≤ bi , con i = 1, ... , m

se llaman restricciones.

Los coeficientes aij , con i = 1, ... , m y j = 1, ... , n son también

números reales conocidos y se les denomina coeficientes tecnológicos.

El vector del lado derecho, es decir los términos b i , con i = 1, ... ,

m, se llama vector de disponibilidades o requerimientos y son también

datos conocidos del problema.

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Las restricciones xj ≥ 0 con j = 1, ... , n se llaman restricciones de

no negatividad.

Al conjunto de valores de (x1, x2, ... ,xn) que satisfacen

simultáneamente todas las restricciones se le denomina región factible.

Cualquier punto dentro de la región factible representa un posible

programa de acción.

DEFINICION GEOMETRICA DE LA PROGRAMACION LINEAL

Un método sencillo para resolver problemas de programación

lineal con dos o a lo sumo tres variables, es mediante la representación

geométrica en el plano o en el espacio, de los conjuntos convexos que

cumplen las restricciones de desigualdad.

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Es decir, F(x) es la proyección del vector de posición X sobre el

hiperplano paralelo al que pasa por el origen, con vector de dirección

dado por c . Las desigualdades del tipo ai 1x1ai 2x2...ai nxn≤bi

(respectivamente ≥)

Significan que las soluciones deben estar en semiespacios i -

(respectivamente i+) asociados con los hiperplanos i de ecuaciones ai

1x1ai 2x2...ai nxn=bi Las desigualdades del tipo xi ≥ 0 Obligan a

los puntos a pertenecer a semiespacios +, correspondientes a los

hiperplanos de ecuaciones xi=0

Que en el caso particular del plano, corresponde a los puntos

pertenecientes al cuadrante formado por los ejes OX y OY positivos. Y

en el caso del espacio al octante formado por los ejes OX , OY y OZ

positivos.

En definitiva, un problema de programación lineal en un caso

simple, se reduce a determinar, dentro de un conjunto de intersecciones

de semiespacios, el punto cuyo vector de posición proporcione

proyección máxima ( en el caso de maximización ) o mínima (en el caso

deminimización ) sobre una dirección dada.

Si denominamos L={ai 1x1ai 2x2...ai nxn ≤ bi ó≥:

xi≥0,i=1,2,...,n} Se cumple

1.- En el caso de que L no esté acotado superiormente

(inferiormente), el P.P.L. no tiene máximo (mínimo) o tiene infinitas

soluciones no acotadas.

2.- En el caso de que L esté acotado y algún hiperplano i sea

ortogonal al vector C, entonces existen infinitas soluciones acotadas

para el P.P.L.

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3.- En el caso de que L esté acotado y ningún hiperplano i sea

ortogonal al vector C , entonces existen solución única para el P.P.L.

Para comprender mejor la interpretación geométrica de

losproblemas de programación lineal, representaremos mediante el

siguiente ejemplo en elplano los distintos casos que pueden suceder a

la hora de resolver dichos problemas.

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TIPOS DE SOLUCIONES PARA UN PROBLEMAS DE

PROGRAMACION LINEAL

En un problema de Programación Lineal, según sean las

restricciones, se obtendrán poliedros diferentes, acotados o no, y según

sea la posición de la función objetivo respecto de dicho poliedro se

pueden originar diferentes situaciones. Según el tipo de soluciones que

presenten un problema de Programación Lineal puede ser:

Factible: si existe la región factible. En este caso nos podemos

encontrar:

Óptimo finito y único. La solución óptima está formada por un

único punto con coordenadas reales.

Múltiples óptimos. Un problema de Programación Lineal puede

tener más de un óptimo. Además, o bien el problema tiene un único

óptimo, o bien, tiene infinitos óptimos.

Óptimo infinito. Un problema de Programación Lineal puede

tener un óptimo no finito, es decir, la función objetivo puede tomar, un

valor tan grande o tan pequeño como se quiera sin abandonar la región

factible.

Región factible no acotada, óptimo finito. La no acotación de la

región factible no implica necesariamente óptimo infinito. Puede ocurrir

que la función objetivo alcance el óptimo en la zona acotada de la

región factible.

Región factible no acotada, óptimo finito e infinito. Puede darse el

caso que todos los puntos de una de las semirrectas que determinan la

región factible no acotada sean solución del problema.

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No factible. Región factible vacía. El conjunto de restricciones de

un problema de Programación Lineal puede ser incompatible,

conduciendo a una región factible vacía.

La solución óptima es el punto de la región factible que hace

máxima o mínima la función objetivo.

Ya hemos representado la región factible y hemos calculado sus

vértices. Ahora vamos a calcular el máximo o el mínimo de la función

objetivo en la región factible. Nos encontramos con dos procedimientos.

Procedimiento analítico.

Este procedimiento únicamente es válido para problemas con

regiones factibles acotadas. Para resolver un problema de

Programación Lineal mediante el procedimiento analítico, necesitamos

conocer e Teorema fundamental de la Programación lineal

Si un problema de Programación Lineal tiene región factible no

vacía, entonces, si existe el óptimo (máximo o mínimo) de la función

objetivo, se encuentra en un punto extremo (vértice) de la región

factible.

Si una función alcanza el valor óptimo en dos vértices

consecutivos de la región factible, entonces alcanza también dicho valor

óptimo en todos los puntos del segmento que determinan ambos

vértices del siguiente teorema.

Teniendo en cuenta el teorema anterior, para calcular el máximo

o el mínimo de una función, será suficiente con evaluar la función

objetivo en todos los vértices de la región factible y quedarnos con el

que proporciona el valor óptimo.

Procedimiento gráfico.

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Este procedimiento es válido tanto para problemas con regiones

factibles acotadas como no acotadas. Como los problemas que vamos

a estudiar tienen dos variables, es posible efectuar una representación

gráfica en el plano y encontrar gráficamente la solución. Sin embargo,

este procedimiento no es generalizable para un número cualquiera de

variables.

Cualquier punto de la región factible es una solución factible para

el problema de Programación Lineal, sin embargo, nos interesa

encontrar en cualquier problema la solución óptima. Para encontrarla

hacemos F(x,y)=0 y representamos la recta que se obtiene llamada

recta de beneficio nulo. Posteriormente recorremos la región factible

con rectas paralelas a la que hemos representado, llamadas líneas de

nivel o rectas de beneficio constante. Observamos como varía la

función objetivo al desplazar las rectas de nivel en un sentido o en otro

y los últimos puntos de contacto de estas rectas con la región factible

proporcionan el valor o valores máximos y mínimos

Pasos para resolver un problema de programación l ineal

1. Elegir las incógnitas.

2. Escr ib ir la función objet ivo en función de los

datos del problema.

3. Escr ib ir las restr icciones en forma de sistema

de inecuaciones.

4. Aver iguar el conjunto de soluciones fact ib les

representando gráf icamente las restr icciones.

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5. Calcular las coordenadas de los vért ices del

recinto de soluciones fact ib les (s i son pocos).

6. Calcular el valor de la función objet ivo en cada

uno de los vért ices para ver en cuál de el los presenta

el valor máximo o mínimo según nos pida el problema

(hay que tener en cuenta aquí la posible no existencia

de solución si e l recinto no está acotado).

Ejemplos de programación l ineal

Unos grandes almacenes encargan a un fabr icante

pantalones y chaquetas deport ivas. El fabr icante

dispone para la confección de 750 m de tej ido de

algodón y 1000 m de tej ido de pol iéster. Cada pantalón

precisa 1 m de algodón y 2 m de pol iéster. Para cada

chaqueta se necesi tan 1.5 m de algodón y 1 m de

pol iéster.

El precio del pantalón se f i ja en 50 € y el de la

chaqueta en 40 €.

¿Qué número de pantalones y chaquetas debe

suministrar el fabr icante a los almacenes para que

éstos consigan una venta máxima?

1) Elección de las incógnitas.

x = número de pantalones

y = número de chaquetas

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2) Función objet ivo

f(x,y)= 50x + 40y

3) Restr icciones

Para escr ib ir las restricciones vamos a ayudarnos de una tabla:

Panta lones y chaquetas d ispon ib le

A lgodón 1 1,5 750

Pol iés ter 2 1 1000

x + 1.5y ≤ 750 2x+3y≤1500

2x + y ≤ 1000

Como el número de pantalones y chaquetas son

números naturales, tendremos dos restr icciones más:

x ≥ 0

y ≥ 0

4) Hal lar el conjunto de soluciones fact ib les

Tenemos que representar gráf icamente las

restr icciones. Al ser x ≥ 0 e y ≥ 0, t rabajaremos en el

pr imer cuadrante. Representamos las rectas, a part i r

de sus puntos de corte con los

ejes.

Resolvemos gráf icamente la

inecuación: 2x +3y ≤ 1500, para

el lo tomamos un punto del plano,

por ejemplo el (0,0).

2·0 + 3·0 ≤ 1 500

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Como 0 ≤ 1 500 entonces el punto (0,0) se

encuentra en el semiplano donde se cumple la

desigualdad.

De modo análogo resolvemos 2x + y ≤ 1000.

2·0 + 0 ≤ 1 000

La zona de intersección de las soluciones de las

inecuaciones sería la solución al s istema de

inecuaciones, que const i tuye el conjunto de las

soluciones fact ib les.

5) Calcular las coordenadas de los vért ices del

recinto de las soluciones fact ib les.

La solución ópt ima, s i es única, se encuentra en

un vért ice del recinto. Estas son las soluciones a los

s istemas:

2x + 3y = 1500; x = 0 (0, 500)

2x + y = 1000; y = 0 (500, 0)

2x + 3y =1500; 2x + y = 1000 (375, 250)

6) Calcular el

valor de la función

objet ivo

En la función

objet ivo sust i tu imos

cada uno de los

vért ices.

f (x, y) = 50x + 40y

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f (0, 500) = 50·0 + 40·500 = 20000 €

f(500, 0) = 50·500 + 40·0 = 25000 €

f(375, 250) = 50·375 + 40·250 = 28750 € Máximo

La solución ópt ima es fabr icar 375 pantalones y 250

chaquetas para obtener un benef ic io de 28750 €.

La solución no siempre es única, también podemos

encontrarnos con una solución múlt ip le .

Ejemplo

Si la función objet ivo del ejercic io anter ior

hubiese sido:

f (x,y)= 20x + 30y

f(0,500) = 20·0 + 30·500 = 15000 € Máximo

f(500, 0) = 20·500 + 30·0 = 10000 €

f(375, 250) = 20·375 + 30·250 = 15000 € Máximo

En este caso todos los pares, con soluciones

enteras, del segmento t razado en negro serían

máximos.

f (300, 300)= 20·300

+ 30·300 = 15000 €

Máximo

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Ejercicio No 2

Resolver gráficamente los siguientes sistemas de inecuaciones:

a) X < 3 b) y ≥ 0

x – 3 y > 6 3 x + y > 6

De las soluciones anteriores concluyes que la solución del

sistema es la indicada en

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CONCLUSIÓN

Se han visto más detallado y con más exactitud los teoremas y

propiedades que hilan todos los temas propuestos por este trabajo y se

ha se ha llegado a la conclusión de todos los temas están relacionados

en cierta forma ya que en varios de estos se necesita recurrir a las

propiedades que se han visto en temas anteriores.

Con esto podríamos decir que nos ha enseñado a tener un

amplio criterio de la utilidad de temas ya vistos en nuestra carrera, ya

que no podemos omitir las enseñanzas pasadas ya que estas nos

forman las bases para comprender y analizar y poder poner en práctica

los temas futuros

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BIBLIOGRAFIA

http://www.vitutor.com/algebra/pl/a_3.html

http://www.frsn.utn.edu.ar/tl/deftl.html

http://html.rincondelvago.com/transformaciones-lineales.html

http://recursostic.educacion.es/descartes/web/

materiales_didacticos/prog_lineal_lbc/solucion_pl.htm