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BACH2 ccss · Matemáticas
Programación lineal · Función objetivo

Problemas de optimización con programación lineal

Un taller fabrica dos modelos de mochila con los mismos dos operarios y las mismas horas de taller. ¿Cuántas mochilas de cada modelo conviene fabricar para ganar lo máximo posible? Esta pregunta —repartir unos recursos limitados entre dos actividades para maximizar un beneficio o minimizar un coste— es un problema de programación lineal. Ya sabes plantear restricciones, dibujar la región factible y encontrar sus vértices; en este apartado juntas todo eso con la función objetivo, la cantidad que quieres maximizar o minimizar, para resolver el problema completo de principio a fin.

Las piezas de un problema de programación lineal

1. Variables: x, y 2. Restricciones (recursos limitados) 3. Región factible y sus vértices 4. Función objetivo F(x, y) = ax + by 5. Evaluar F en cada vértice
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El obrador del comedor escolar prepara bizcochos ($x$) y magdalenas ($y$) para la semana cultural, con los datos que se resumen en la figura. Dispone de $40$ huevos y de…

El obrador del comedor escolar prepara bizcochos ($x$) y magdalenas ($y$) para la semana cultural, con los datos que se resumen en la figura.

Bizcocho 2 huevos · 1 molde 1 € Magdalena 1 huevo · 1 molde 0,75 € DISPONIBILIDAD Huevos: 40 Moldes: 25

Dispone de $40$ huevos y de $25$ moldes de horneado: cada bizcocho usa $2$ huevos y cada magdalena, $1$, y cada pieza necesita un molde. El beneficio es de $1\ \text{€}$ por bizcocho y de $0,75\ \text{€}$ por magdalena (trabaja con la función objetivo en céntimos de euro, $F(x, y) = 100x + 75y$).

  • a) Plantea el sistema de restricciones.

  • b) Halla los vértices de la región factible.

  • c) Determina cuántas piezas de cada tipo maximizan el beneficio y calcula dicho beneficio.

Resolver

Método completo: de la tabla de datos a la solución

A B C D
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Un taller textil fabrica mochilas urbanas ($x$) y mochilas de montaña ($y$). La tabla resume los minutos que cada modelo necesita en cada sección y los minutos…

Un taller textil fabrica mochilas urbanas ($x$) y mochilas de montaña ($y$). La tabla resume los minutos que cada modelo necesita en cada sección y los minutos disponibles al día:

Sección Urbana Montaña Disponible
Corte $2$ $3$ $240$
Costura $3$ $2$ $210$

El beneficio es de $12\ \text{€}$ por mochila urbana y de $15\ \text{€}$ por mochila de montaña.

  • a) Plantea el sistema de restricciones.

  • b) Halla los vértices de la región factible.

  • c) Determina la producción diaria que maximiza el beneficio y su valor.

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Una escuela de danza abre dos niveles nuevos: iniciación ($x$ grupos) y avanzado ($y$ grupos). Solo dispone de $8$ franjas horarias semanales, y cada grupo de iniciación…

Una escuela de danza abre dos niveles nuevos: iniciación ($x$ grupos) y avanzado ($y$ grupos). Solo dispone de $8$ franjas horarias semanales, y cada grupo de iniciación tiene $14$ alumnos y cada grupo avanzado, $10$, con un máximo de $100$ alumnos en total. La cuota mensual es de $50\ \text{€}$ en iniciación y de $40\ \text{€}$ en avanzado.

  • a) Plantea las restricciones.

  • b) Determina cuántos grupos de cada nivel maximizan los ingresos mensuales y calcula el ingreso máximo.

Resolver

Maximizar beneficio o ingresos

Los problemas de maximizar suelen venir de una empresa con recursos limitados (materia prima, horas de trabajo, espacio) que quiere sacar el mayor partido económico posible.

Practica★★★Sin empezar
(Modelo de examen.)* Una empresa envasa zumo natural ($x$ litros) y zumo de concentrado ($y$ litros). Cada litro de natural necesita $3$ kg de naranja, $1$ kg de mango y…

(Modelo de examen.) Una empresa envasa zumo natural ($x$ litros) y zumo de concentrado ($y$ litros). Cada litro de natural necesita $3$ kg de naranja, $1$ kg de mango y $2$ minutos de línea de envasado; cada litro de concentrado, $2$ kg de naranja, $2$ kg de mango y $2$ minutos de línea. Diariamente se dispone de $120$ kg de naranja, $50$ kg de mango y $70$ minutos de línea (restricciones: $3x + 2y \leq 120$, $x + 2y \leq 50$, $x + y \leq 35$). El beneficio es de $4\ \text{€}$ por litro de natural y de $5\ \text{€}$ por litro de concentrado.

  • a) Halla los vértices de la región factible.

  • b) Determina la producción diaria de beneficio máximo.

  • c) En la producción óptima, ¿sobra algún recurso? Calcula qué cantidad sobra de cada uno.

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En un huerto urbano compartido se van a plantar tomateras ($x$) y lechugas ($y$), con los datos que se resumen en la figura. Cada tomatera ocupa $1\ \text{m}^2$ y cada…

En un huerto urbano compartido se van a plantar tomateras ($x$) y lechugas ($y$), con los datos que se resumen en la figura.

Tomatera 1 m² 3 L/sem 5 € Tomatera: 1 m² · 3 L/sem · 5 € Lechuga 0,5 m² 1 L/sem 2 € Lechuga: 0,5 m² · 1 L/sem · 2 € RECURSOS TOTALES Terreno disp. 12 m² Agua disp. 30 L/sem Restricciones del sistema

Cada tomatera ocupa $1\ \text{m}^2$ y cada lechuga, $0,5\ \text{m}^2$, y hay $12\ \text{m}^2$ disponibles (escribe la restricción como $2x + y \leq 24$). El riego semanal es de $3$ litros por tomatera y $1$ litro por lechuga, con un máximo de $30$ litros. Se estima un valor de cosecha de $5\ \text{€}$ por tomatera y de $2\ \text{€}$ por lechuga.

  • a) Plantea el sistema de restricciones.

  • b) Calcula los vértices de la región factible.

  • c) Halla la plantación que maximiza el valor de la cosecha.

Resolver

Minimizar coste

En los problemas de minimizar, las restricciones suelen ser de tipo $\geq$ (mínimos que hay que cubrir: nutrientes, plazas, horas de atención), y buscas el vértice de menor coste, no de mayor. La región, al tener restricciones $\geq$, suele ser no acotada hacia arriba, pero eso no impide que exista un mínimo.

mínimo coste
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Un nutricionista deportivo combina barritas energéticas ($x$) y batidos ($y$) para la dieta de un ciclista. La pauta exige un mínimo de $60$ unidades de carbohidratos…

Un nutricionista deportivo combina barritas energéticas ($x$) y batidos ($y$) para la dieta de un ciclista. La pauta exige un mínimo de $60$ unidades de carbohidratos (cada barrita aporta $4$ y cada batido, $3$) y de $30$ unidades de proteína (cada barrita aporta $3$ y cada batido, $1$). Cada barrita cuesta $3\ \text{€}$ y cada batido, $2\ \text{€}$.

  • a) Plantea el sistema de restricciones y representa la región factible.

  • b) Halla sus vértices.

  • c) Calcula la combinación semanal de coste mínimo que cumple la pauta.

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Practica★☆☆Sin empezar
Un colegio organiza la excursión de fin de curso y contrata furgonetas de $9$ plazas ($x$) y minibuses de $18$ plazas ($y$). Deben transportarse al menos $180$ alumnos y…

Un colegio organiza la excursión de fin de curso y contrata furgonetas de $9$ plazas ($x$) y minibuses de $18$ plazas ($y$). Deben transportarse al menos $180$ alumnos y la empresa solo dispone de $14$ vehículos en total. Cada furgoneta cuesta $60\ \text{€}$ y cada minibus, $150\ \text{€}$.

  • a) Plantea el sistema de restricciones.

  • b) Halla los vértices de la región factible.

  • c) Determina cuántos vehículos de cada tipo minimizan el coste y calcula ese coste mínimo.

Resolver

Restricciones menos evidentes

Algunos enunciados esconden una restricción dentro de una frase que no es una simple suma o un simple mínimo: proporciones ("el doble de", "no más del triple de") o relaciones entre las dos variables. Hay que traducirlas con cuidado antes de seguir.

y = 2x y ≤ 2x (la tarde, como mucho el doble)
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Una tienda de barrio organiza sus turnos de sábado: $x$ empleados por la mañana e $y$ por la tarde. Necesita al menos $4$ empleados por la mañana y $3$ por la tarde; el…

Una tienda de barrio organiza sus turnos de sábado: $x$ empleados por la mañana e $y$ por la tarde. Necesita al menos $4$ empleados por la mañana y $3$ por la tarde; el convenio no permite más de $12$ empleados en total, y el turno de tarde no puede tener más del doble de personas que el de mañana. La venta esperada por empleado es de $300\ \text{€}$ por la mañana y de $400\ \text{€}$ por la tarde.

  • a) Plantea el sistema de restricciones.

  • b) Halla los vértices de la región factible.

  • c) Determina la distribución de turnos que maximiza la venta esperada.

Resolver

Laboratorio: optimización digital y sensibilidad

Una cooperativa produce cantidades divisibles x e y de dos mezclas. Tiene restricciones $x,y\ge0$, $x+y\le5$ y $2x+y\le8$; el margen es $F=3x+2y$. Dibuja las cuatro inecuaciones en una herramienta gráfica. En una hoja con optimizador lineal, reserva dos celdas para x e y, una tercera para =3*x+2*y (sustituye x e y por sus referencias) y otras para las restricciones. Maximiza F seleccionando un método lineal y las cuatro restricciones. Predice primero el vértice ganador.

El esquema muestra la recta de nivel que toca el polígono en el óptimo:

(3, 2)453x + 2y = 13

Cambia el coeficiente 3 de x por c. Con $c=1$ el óptimo es $(0,5)$; con $c=2$ todo el lado de $(0,5)$ a $(3,2)$ es óptimo; con $c=5$ lo es $(4,0)$. Conjetura los umbrales y demuéstralos comparando valores en los vértices; comprueba también c=4. Entrega tabla, gráfico, salida y prueba.

Algoritmo alternativo: enumera pares de fronteras, resuelve cada sistema si su determinante no es cero, descarta cruces que incumplan restricciones y evalúa F en los restantes. Modifícalo para conservar todos los empates y prueba una región vacía. Este algoritmo de vértices solo resuelve por sí solo el caso acotado no vacío; en regiones no acotadas hay que estudiar direcciones de crecimiento. Si las cantidades deben ser enteras, añade esa condición: redondear una solución continua puede incumplir restricciones o perder el óptimo.

Resumen

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