2007-09
Optimización de Funciones Lineales con
Restricciones en MATLABTM:
Teoría y Ejemplos
Responsables: William Marchena
Carlos Ornelas
Supervisor: Francisco M. González-Longatt
Línea de Investigación:
Fuentes Alternas de Energía
Y

27-Feb-2007
Optimización de Funciones Lineales con Restricciones en MATLABTM: Teoría y Ejemplos 2
Optimización en MATLABTM
La caja de herramientas de optimización o denominado Toolbox extiende la capacidad de MATLAB®,
acercándolo a un ambiente numérico computacional. Toolbox incluye rutinas de muchos tipos, incluyendo
la optimización [1]:
− Minimización no lineal sin restricciones.
− Minimización no lineal con restricciones, problemas de minimizar y maximizar, y problemas de
minimización semi-infinitos.
− Programación cuadrática y lineal.
− No lineal, mínimos cuadrados y curvas adecuadas.
− Solución de ecuaciones de sistemas no lineales.
− Restricciones lineales de mínimos cuadrados.
− Problemas de larga escala.
Funciones de Optimización
Todas las funciones de la caja de herramientas son (m-files) de MATLAB, haciendo de MATLAB un
instrumento especializado en algoritmos de optimización. Se puede ver de MATLAB los códigos de las
funciones usando la presentación [1]:
type function_name
Se puede extender la capacidad de optimización de la caja de herramientas escribiendo sus propios m-files,
o usando la caja de herramienta con otras cajas de herramientas, o con MATLAB o Simulink®.
Caja de Herramienta de Optimización GUI
La herramienta de optimización (optimtool), es un GUI (Grafics Unit Interface), para seleccionar la
solución, especificando las opciones de optimización y los problemas corrientes. Se puede definir y
modificar los problemas rápidamente con GUI [1].
Usando Funciones de Optimización
Aquí se describirá como se deberá realizar la utilización de cada una de estas funciones de optimización:
Definición de la Función Objetivo
Muchas de las funciones de optimización requieren que se cree una función de MATLAB que calcule la
función objetivo. La función, en la entrada debe aceptar vectores, y retornar a la salida un escalar de tipo
doble.
Existen dos maneras de crear la función objetivo:
1) Se crea una función anónima en la línea de comando. Por ejemplo, si se crea una función anónima
para x2, se coloca:
square = @ [(x)]* x.^2;
Y se llama a la función de optimización con el cuadrado del primer argumento de la entrada. Se puede usar
este método si la función objetivo es relativamente sencilla, y no requiera ser utilizada en una sesión futura
de MATLAB.
2) Si se escribe un M-file para la función, por ejemplo, para escribir la función x2como un m-file, se
debe abrir un nuevo archivo en el editor MATLAB y se deberá colocar el siguiente código:
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function y = square(x)
y = x.^2;
Se puede llamar la función de optimización con @ al cuadrado como el primer argumento de entrada. El
signo @ crea una función manejable al cuadrado. Este método se emplea si la función objetiva es
complicada o si se sospecha que tal función será utilizada en una próxima sesión de MATLAB.
Maximización
Las funciones de optimización fminbnd, fminsearch, fminunc, fmincon, fgoalattain, fminimax, lsqcurvefit, y
lsqnonlin todas realizan la minimización de la función objetivo f(x). La maximización es alcanzada
sustituyendo en las rutinas con – f(x). Asimismo para alcanzar la maximización para quadprog se sustituye
-H y -f, y para linprog -f [2].
Restricciones Mayores que Cero
La Caja de herramientas de Optimización (Toolbox) asume que las restricciones de desigualdad no lineales
son de la forma Ci(x)≤
0. Las restricciones mayores que cero son expresadas como menores que cero
multiplicándolas por -1. Por ejemplo, una restricción de la forma Ci(x)≥
0 es equivalente a la restricción
(-Ci(x))≤
0); una restricción de la forma Ci(x)≥b es equivalente a la restricción (-Ci(x) + b)≤0 [2].
Maximización vs Minimización
La optimización funciona en la caja de herramienta minimizando la función objetivo. Para maximizar la
función f se aplica una optimización para minimizar la función -f. El punto resultante donde el máximo f
ocurre también es el punto donde el mínimo de -f ocurre.
Problemas Cubiertos por la Caja de Herramientas
Las siguientes tablas muestran las funciones disponibles para la minimización y maximización de las
funciones a utilizar en este trabajo especial de grado, donde la función objetivo es una ecuación lineal con
restricciones lineales o no lineales de desigualdad.
Tabla 1. Tabla representativa de las funciones disponibles para la minimización y maximización de
las funciones a utilizar en este trabajo especial de grado
Tipo Notación Función
xfTmin tal que
Programación lineal xLinprog
uxlbxAbAx≤≤=≤,,
eqeq
)(minxf tal que
x
Minimización de restricciones 0)(,0)(=
≤xxceqc Fmincon
uxlbeqAeq.xb,Ax≤≤=≤
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Linprog [1]
Propósito
Resolver problemas de programación lineal.
Ecuación
Encuentra el mínimo de un problema especificado por:
min tal que
bAxxfT≤
bxA=
eqeq (1)
≤≤ubxlb
Donde: f, x, b, beq, lb, y ub son vectores y A y Aeq son matrices
Sintaxis
x = linprog(f,A,b)
x = linprog(f,A,b,Aeq,beq)
x = linprog(f,A,b,Aeq,beq,lb,ub)
x = linprog(f,A,b,Aeq,beq,lb,ub,x0)
x = linprog(f,A,b,Aeq,beq,lb,ub,x0,options)
[x,fval] = linprog(...)
[x,lambda,exitflag] = linprog(...)
[x,lambda,exitflag,output] = linprog(...)
[x,fval,exitflag,output,lambda] = linprog(...)
Descripción
Linprog soluciona problemas de programación lineal
x = linprog(f,A,b): soluciona min f'*x tales que A*x≤b
x = linprog(f,A,b,Aeq,beq): soluciona el problema descrito inicialmente (1), mientras que
además satisface la igualdad de las restricciones Aeq*x = beq. Se coloca A=[ ] y b=[ ] si no existen
desigualdades
x = linprog(f,A,b,Aeq,beq,lb,ub): Se definen los limites inferior y superior sobre la variable
de diseño en x, de modo que la solución este siempre entre el rango lb ≤ x ≤ ub. Se coloara Aeq = [ ] y beq
= [ ] si no existen igualdad.
x = linprog(f,A,b,Aeq,beq,lb,ub,x0): fija el punto de partida x0. Esta opción esta solamente
disponible con el algoritmo a media escala (la opción de Larga Escala, se fija a “off” usando optimización).
El defecto del algoritmo a larga escala y del algoritmo simplex es que ignoran los puntos de partida.
x = linprog(f,A,b,Aeq,beq,lb,ub,x0,options): Reduce al mínimo con las opciones de
optimización especificadas en la estructura options. Se utiliza optimset para fijar estas opciones.
[x,fval] = linprog(...): Retorna el valor de la función objetivo fun en la solución x: fval = f'*x.
[x,lambda,exitflag] = linprog(...): devuelve un valor exitflag que describe la condición de
salida.
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[x,lambda,exitflag,output] = linprog(...): Devuelve una estructura output que contiene
información acerca de la optimización.
[x,fval,exitflag,output,lambda] = linprog(...): Devuelve una estructura lambda
donde contiene los campos de los multiplicadores de Lagrange en la solución x. [1]
Entrada de Argumentos
A continuación se muestra una descripción general de los argumentos pasados en linprog [1]:
Tabla 2. Representativa de los argumentos de entrada para las funciones linprog y fmincon.
Nombre de
la entrada Descripción Usada por las funciones:
La matriz Aeq y el vector beq son,
fgoalattain, fmincon, fminimax,
Aeq, beq respectivamente, los coeficiente de las restricciones fseminf, linprog, lsqlin,
de la inecuaciones lineales y al correspondiente al
lado derecho del vector: Aeq*x = beq quadprog
El vector de los coeficientes para el termino lineal
f en la ecuación lineal f’*x o la ecuación cuadrática linprog, quadprog
x*H*x + f’*x.
La función para optimizar. fun es una función fgoalattain, fmincon, fminimax,
fun manipulada por una función m-file o por una fseminf, fminbnd, fminsearch,
función anónima. fminunc, fsolve, fzero,
lsqcurvefit, lsqnonlin
Tabla 3. Representativa de los argumentos de entrada para las funciones linprog y fmincon
(continuación)
Nombre de
la entrada Descripción Usada por las funciones:
Limites inferior y superior de vectores (o matrices).
Los argumentos son normalmente del mismo
tamaño que x. Sin embargo, si lb tiene menos
elementos que x, entonces solo el primer elemento fgoalattain, fmincon, fminimax,
lb, ub de m es el límite inferior. Los límites superiores en fseminf, linprog, lsqcurvefit,
ub se pueden definir de la misma manera. También lsqlin, lsqnonlin, quadraprog
se pueden especificar variables infinitas usando –inf
(para los limites superiores). Por ejemplo si lb(i) = -
inf, la variable x(i) es el limite inferior.
La función que calcula las inecuaciones no lineales,
Nonlcon las restricciones de ecuaciones e inecuaciones no fgoalattain, fmincon, fminimax
lineales “evitando variables globales vía funciones
anónimas y jerarquizadas”
La matriz A y el vector b son, respectivamente, los
fgoalattain, fmincon, fminimax,
A, b coeficientes de las restricciones lineales de fseminf, linprog, lsqlin,
desigualdad y el vector correspondiente del lado
derecho: Ax ≤ b quadprog
Options Una estructura que define las opciones, se utiliza Todas las funciones
por las funciones de optimización.
Punto inicial (es un escalar, vector o matriz) (para
fzero, x0 también puede ser dos elementos
vectoriales representando un intervalo que es
x0 conocido para restricciones un cero) Todas las funciones excepto
fminbnd
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Argumentos de salida
A continuación se muestra una descripción general de los argumentos de salida [1]:
Tabla 4. Representativa de los argumentos de salida de las funciones linprog y fmincon
Nombre de
la salida Descripción Usada por las funciones:
Un número entero que identifica la razón en la que
el algoritmo de optimización finalizo. Se puede
utilizar el exitflag como una herramienta de
programación al escribir m-files como calculo de
exitflag optimización. Todas las funciones
A su vez puede mostrar un mensaje que indica
porque una optimización finalizo, llamando la
función de optimización con el argumento de salida
output y mostrando en pantalla output.message
La evaluación de la función objetivo fun con la fgoalattaing, fminbnd, fmincon,
fval solución x fminimax, fminsearch, fminunc,
fseminf, fsolve, fzero, linprog,
quadprog
output Una estructura de salida que contiene información Todas las funciones
acerca de los resultados de la optimización.
La solución encontrada por la optimización de la
x función. Si exitflag > 0, entonces x es una solución, Todas las funciones
si no, x es el valor de la optimización rutinaria
cuando esta es terminada prematuramente.
Función exiflag, lambda y output
A continuación se trataran detalles de las funciones específicas de exitflag Lambda y output [1]:
exitflag
La función converge a una solución x
0 Numero de iteraciones excedidas options. MaxIter.
-2 No se encontró ningún punto factible.
-3 El problema es infinito.
-4 El valor NaN fue encontrado durante la ejecución del algoritmo.
-5 Los problemas principales y duales son infactibles.
-6 La dirección de la búsqueda llego a ser demasiado pequeña. Ningún otro progreso puede ser
hecho.
lambda
La estructura contiene los multiplicadores de Lagrange en la solución x (separado por el tipo de
restricción). Los campos de la estructura son:
lower: Limites inferiores lb
upper: Limites superiores ub
ineqlin: desigualdades lineales
eqlin: igualdades lineales
output
Estructura que contiene la información sobre la optimización. Los campos de la estructura son:
Algorithm: Algoritmo usado
cgiterations: Número de iteraciones conjugadas del gradiente (solamente logaritmos de larga
escala)
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iterations: Numero de iteraciones
message: Mensaje de salida
Opciones
Son las opciones de optimización usadas por linprog Algunas opciones se aplican a todos los algoritmos, y
otras son solamente relevantes cuando se usa el algoritmo de larga escala. Se puede utilizar optimset para
fijar o para cambiar los valores de estos campos en la estructura de opciones, options. A continuación se
muestran las opciones de optimización utilizadas por las funciones linprog y fmincon [1]:
Tabla 4. Representativa de las opciones de los programas linprog y fmincon
Nombre de la Usado por las
opción Descripción L, M, B funciones:
Todas, excepto
Diagnostics Display muestra información acerca de la B fmindbnd, fminsearch,
función a minimizar
fzero y lsqnonneg
fgoalattain, Fmincon,
DiffMaxChange Máximo cambio en variables para M fminimax, fminunc,
diferencias infinitas fseminf, fsolve,
lsqcurvefit, lsqnonlin
Fgoalattaing,
DiffMinChange Mínimo cambio en variables para M fmincon,fminimax,
diferenciación finita fminunc, fseminf, fsolve,
lsqcurvefit, lsqnonlin
Nivel del display en ‘off’ el display no
muestra la salida; ‘iter’. Muestra la salida
Display en cada iteración; ‘final’ muestra el final B Todas las funciones
de la salida ‘notify’ muestra si la función
no converge
Comprueba si la función objetivo y los fgoalattain, fminbnd,
valores de restricciones son validos. ’on’ fmincon, fminimax,
FunValCheck muestra un error cuando la función B fminsearch, fminunc,
objetivo o las restricciones devuelven un fseminf, fsolve, fzero,
valor que es complex, NaN o Inf. lsqcurvefit, lsqnonlin
fmincon, fminunc,
LargeScale Usa el algoritmo de larga escala si es B fsolve, linprog,
posible lsqcurvefit, lsqlin,
lsqnonlin,quadraprog
fgoalattain, fminbnd,
fmincon, fminimax,
MaxFunEvals Máximo número de evaluaciones B fminsearch, fminunc,
realizadas a la función
fseminf, fsolve,
lsqcurvefit, lsqnonlin
Todas las funciones
MaxIter Máximo numero de iteraciones B menos fzero y
realizadas
lsqnonneg
MaxSQPIter Máximo numero de iteraciones de M Fmincon
programación cuadrática secuencial
fgoalattain, fminbnd,
Especifica una o mas usos definidos de fmincon, fminimax,
OutputFcn las funciones que la función a optimizar B fminsearch, fminunc,
visita cada iteración fseminf, fsolve, fzero,
lsqcurvefit y lsqnonlin
Amplitud de banda superior, fmincon, fminunc,
PrecondBandWidth preacondicionado para PCG, el ajuste de L fsolve, lsqcurvefit,
‘inf’ usa una factorización directa en lsqlin, lsqnonlin,
lugar de CG quadprog
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Tabla 4. Representativa de las opciones de los programas linprog y fmincon (continuación)
Nombre de la opción Descripción L, M, B Usado por las
funciones:
RelLineSrchBnd Condición de borde M fgoalattain, fmincon,
fminimax, fseminf
Numero de iteraciones para el
cual la condición de borde
RelLineSrchBndDuration especificada en M Fgoalattain, fmincon,
RelLineSrchBnd debe ser fminimax, fseminf
activa
Si la función esta en, ‘on’ la
Simplex función utiliza el algoritmo M Linprog
simplex.
bintprog, fgoalattain,
fmincon, fminimax,
fminsearch, fminunc,
TolFun Terminación de la tolerancia B fseminf, fsolve, linprog
en la función evaluada (L siempre), lsqcurvefit,
lsqlin (L siempre)
lsqnonlin, quadprog
(Lsiempre)
fmincon, fminunc,
TolPCG Terminación de la tolerancia L fsolve, lsqcurvefit,
en la iteración PCG lsqlin, lsqnonlin,
quadprog
Todas las funciones
ecepto algoritmos de
Tolx Terminación de la tolerancia B Media Escala para
en x
linprog, lsqlin y
quadprog
Evaluación x típica. La fgoalattain, fmincon,
TypicalX longitud del vector es igual al B fminunc, fsolve,
numero de elementos de x0 lsqcurvefit, lsqlin,
lsqnonlin, quadprog
Algoritmos de Media y Larga Escala
Estas opciones son utilizadas por algoritmos de media y larga escala [1]:
Diagnostics: Imprime la información de diagnostico sobre la función que se reducirá.
Display: Nivel de exhibición, “off”: no se muestra ninguna salida. 'iter' muestra la salida de cada
iteración. 'final': se muestra la salida final. En este tiempo los trabajos con 'iter' se realizan con
algoritmos de larga escala y algoritmos simplex.
MaxIter: Máximo número de iteraciones permitidas.
Únicamente Algoritmos de Media Escala
Las siguientes opciones son utilizadas por el algoritmo a media escala:
Simplex: Si la función esta en 'on', linprog utiliza el algoritmo simplex. El algoritmo simplex
utiliza un punto de partida incorporado, sin considerar el punto de partida x0.
Únicamente algoritmos de larga escala
Estas opciones son utilizadas únicamente por el algoritmo de larga escala
TolFun: Tolerancia del valor final de la función
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Optimización de Funciones Lineales con Restricciones en MATLABTM: Teoría y Ejemplos 9
Algoritmo
Optimización a larga escala
El método de larga escala, se basa en LIPSOL (Solución Lineal del Punto Interior) la cual es una variable
del algoritmo Mehrotra’s predictor-corrector, un método primal-dual del punto interior. Un numero de
pasos previos del proceso ocurren antes de que el algoritmo comience a iterar [1].
Optimización a media escala
Linprog: es un método activo del sistema y es así una variación del método simplex, bien conocido para
programación lineal. El algoritmo encuentra una solución factible inicial por la solución de otro problema
de programación lineal:
options = optimset('LargeScale', 'off', 'Simplex', 'on')
Y pasando options como un argumento de entrada de linprog. El algoritmo simplex retorna una solución
óptima del vértice. Es importante tener presente que no se podrá proveer un punto inicial x0 para linprog,
del método a gran escala o del método a media escala usando el algoritmo del método simplex. En
cualquier caso si se coloca x0 como un argumento de entrada, el linprog no toma en cuenta x0 y calcula su
propio punto inicial para el algoritmo.
Diagnóstico
Optimización a Larga Escala
La primera etapa del algoritmo puede implicar un proceso previo de las restricciones. Varias condiciones
posibles pueden hacer que ocurra esto, por ejemplo linprog a la salida con un mensaje de infactibilidad. En
cada caso, el valor retornado de exitflag. Por linprog fija a un valor negativo para indicar falla [1].
Si una fila de ceros se detecta en Aeq, pero el elemento correspondiente al beq no es cero, el mensaje de
salida es [1]:
Salida debido a infactibilidad: Toda la fila de ceros de la matriz de las restricciones no tiene un cero en el
tamaño correspondiente a la entrada derecha.
Si uno de los elementos de x se encuentra para no ser limitado, el mensaje de salida es:
Salida debido a infactibilidad: La función objetivo f'*x es ilimitada debajo.
Si una de las filas de Aeq tiene solamente un elemento distinto a cero, el valor asociado en x se llama una
variable singleton (semifallo). En este caso, el valor de esa componente de x se puede calcular de Aeq y de
beq. Si el valor calculado viola otra restricción, el mensaje de la salida es:
Salida debido a infactibilidad: Las variables de semifallo en restricciones de igualdad no son factibles.
Si la variable singleton (semifallo) puede ser solucionada para resolver la solución viola los límites
superiores o inferiores, el mensaje de la salida es:
Salida debido a infactibilidad: Las variables de semifallo en las restricciones de igualdad no están dentro
de los límites.
Una vez que el proceso previo haya finalizado la parte iterativa del algoritmo comienza a resolver los
criterios hasta que se detiene. Si el residuo crece en lugar de disminuir, o el residuo ni crece ni disminuye,
uno de los dos mensajes de culminación se muestra en pantalla respectivamente:
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Optimización de Funciones Lineales con Restricciones en MATLABTM: Teoría y Ejemplos 10
Uno o más de los residuos, banda dual o error total ha crecido más de 100.000 veces que su valor mínimo:
ó
Uno o más residuos, banda dual o error relativo total ha caído.
Después que uno de estos mensajes se muestren, es seguido por uno de los siguientes seis mensajes que
indican el dual, el primal, o ambos, aparecen ser infactibles, los mensajes se diferencian deacuerdo a la
infactibilidad:
El dual parece ser infactible (y el primal ilimitado). (El primal residual < TolFun.)
El primal parece ser infactible (y el dual ilimitado). (El dual residual < TolFun.)
El dual parece ser infactible (y el primal ilimitado) desde entonces el dual residual> sqrt (TolFun). (El
primal residual <10*TolFun).
El primal parece ser infactible (y el dual ilimitado) desde entonces el primal residual> sqrt (TolFun). (El
dual residual <10*TolFun).
El dual parece ser infactible y el primal ilimitado desde entonces el primal objetivo <-1e+10 y el dual
objetivo<1e+6.
El primal parece ser infactible y el dual ilimitado desde entonces el dual objetivo> 1e+10 y el primal
objetivo>-1e+6. Tanto el primal como el dual parecen ser infactibles.
Observe que, por ejemplo el primal objetivo puede ser ilimitado, y el primal residual que es una medida
satisfactoria de la restricción primal, puede ser pequeño.
Optimización a Media Escala
El linprog, da una advertencia cuando el problema es infactible. Advirtiendo: las restricciones son
demasiado severas; no hay ninguna solución factible [1].
En este caso, el linprog produce un resultado que minimiza el peor caso, que es la violación de
restricciones. Cuando las restricciones de igualdad son incoherentes, el linprog da una advertencia: Las
restricciones de igualdad son demasiado severas; no hay ninguna solución factible [1].
Las soluciones ilimitadas producen la advertencia: La solución es ilimitada y es infinita; las restricciones
no son tan restrictivas. En este caso, el linprog devuelve un valor x que satisface las restricciones [1].
Limitaciones de la optimización a media escala
En este momento, los únicos niveles de despliegue, usando la opción del Despliegue en las opciones, es
'fuera de' y 'último'; rendimiento reiterativo que usa 'el iter' no es disponible [1].
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Optimización de Funciones Lineales con Restricciones en MATLABTM: Teoría y Ejemplos 11
Fmincon
Propósito
Encontrar el mínimo o máximo de una función multivariable con restricciones no lineales (para el calculo
de restricciones lineales, de igual manera ve aplicación) [1].
Ecuación
Un modelo de la función que ésta realiza, lo podemos ver en [1]:
()
minxf :
x
Sujeta a:
()
xc≤0
()
xceq=0
bAx≤
(2)
beqAeqx=
ubxlb≤≤
Donde x, b, beq, lb, y ub son vectores, A y Aeq son matrices, c y ceq(x) son funciones que retornan
vectores, y f(x) es una función que retorna un escalar. f(x), c(x), y ceq(x) pueden ser funciones no lineales
(para éste caso trataremos funciones estrictamente lineales) [1].
Sintaxis
x = fmincon(fun,x0,A,b)
x = fmincon(fun,x0,A,b,Aeq,beq)
x = fmincon(fun, x0,A,b,Aeq,beq,lb,ub)
x = fmincon(fun, x0,A,b,Aeq,beq,lb,ub,nonlcon)
x = fmincon(fun, x0,A,b,Aeq,beq,lb,ub,nonlcon,options)
[x,fval] = fmincon(...)
[x,fval,exitflag] = fmincon(...)
[x,fval,exitflag,output] = fmincon(...)
[x,fval,exitflag,output,lambda] = fmincon(…)
[x,fval,exitflag,output,lambda,grad] = fmincon(…)
[x,fval,exitflag,output,lambda,grad,hessian] = fmincon(…)[1]
Descripción
fmincon intenta encontrar un mínimo de una función escalar de varias variables que comienzan en una
estimación inicial. Esto es generalmente denominado optimización de restricciones no lineales o
programación no lineal [1].
x = fmincon(fun,x0,A,b: Evalúa el valor inicial x0 ,y encuentra un mínimo de x para la función
descrita en fun sujeta a las desigualdades lineales Ax ≤ b. x0 puede ser un escalar, un vector o una matriz.
x = fmincon(fun,x0,A,b,Aeq,beq: Minimiza fun sujeta a las igualdades lineales Aeq· x = beq,
así como también la de la forma Ax ≤ b. se colocara A = [ ] y b = [ ] si no existen desigualdades.
x = fmincon(fun, x0,A,b,Aeq,beq,lb,ub: Aquí se define y se colocan los limites inferior y
superior sobre la variable de diseño en x, por esta razón la solución siempre estará entre los rangos lb ≤ x ≤
ub. Se colocara Aeq = [ ] y beq = [ ] si no existen igualdades, lb(i) = -Inf si x(i) es el limite inferior, y
ub(i) = Inf si x(i) es el limite superior.
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Optimización de Funciones Lineales con Restricciones en MATLABTM: Teoría y Ejemplos 12
x = fmincon(fun, x0,A,b,Aeq,beq,lb,ub,nonlcon): Realiza la minimización sujeta a las
desigualdades no lineales c(x) o a las igualdades ceq(x) definida en nonlcon. fmincon optimiza sujeta a c(x)
≤ 0 y ceq(x)=0. Se colocara lb = [ ] y⁄o ub = [ ] si no existen limites.
x = fmincon(fun,x0,A,b,Aeq,beq,lb,ub,nonlcon,options): Minimiza con las opciones
de optimización especificadas en la estructura de opciones. Se utilizara optimset para colocar estas
opciones. Se coloca nonlcon = [ ] si no hay restricciones de igualdad o desigualdad no lineales.
[x,fval] = fmincon(...): Retorna el valor de la función objetivo fun en la solución x.
[x,fval,exitflag] = fmincon(...): Retorna un valor exitflag que describe la condición de
salida de fmincon.
[x,fval,exitflag,output] = fmincon(...): Retorna una estructura output con información
acerca de la optimización.
[x,fval,exitflag,output,lambda] = fmincon(…): Retorna una estructura lamda cuyos
campos contienen los multiplicadores de lagrange en la solución de x.
[x,fval,exitflag,output,lambda,grad] = fmincon(...): Retorna el valor del gradiente
de fun en la solución de x.
Función fun, nonlcon, y options
A continuación se proporcionara detalles de la función específica para: fun, nonlcon y options [1]:
fun
Es la función a ser minimizada o maximizada. fun es una función que acepta un vector x y retorna un
escalar f, que es la función objetivo evaluada en x. La función fun puede ser especificada como una función
handle para los archivos m-file.
x = fmincon(@myfun,x0,A,b)
Donde myfun es una función de MATLAB como:
function f = myfun(x)
f = ... % Compute function value at x
fun puede ser también una función handle para una función anónima.
x = fmincon(@(x)norm(x)^2,x0,A,b);
Si el gradiente de fun también requiere ser calculado la opción GradObj estará en “on”, como se puede
ver en lo siguiente:
options = optimset('GradObj','on')
Entonces la función fun debe volver, en la segunda salida el argumento, el gradiente evaluado en g, un
vector en x. Debe tenerse presente que por medio de comprobar el valor de nargout, la función g puede
evitar ser calculada cuando la opción fun es llamada con solo un argumento de salida (En el caso donde la
optimización solo necesite el valor de f pero no de g).
function [f,g] = myfun(x)
f = ... % Compute the function value at x
if nargout > 1 % fun called with two output arguments
g = ... % Compute the gradient evaluated at x
end
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Optimización de Funciones Lineales con Restricciones en MATLABTM: Teoría y Ejemplos 13
El gradiente consiste en las derivadas parciales de f en el punto x. Esto es, la i-ésima componente de g es la
derivada parcial de f con respecto a la i-ésima componente de x.
Nonlcon
Es la función que calcula las restricciones de desigualdad no lineales c(x)≤ 0 y las restricciones de igualdad
no lineal ceq(x)=0. La función nonlcon acepta un vector x y retorna dos vectores c y ceq. El vector c
contiene las desigualdades no lineales evaluadas en x, y ceq contiene las igualdades no lineales evaluadas
en x. La función nonlcon puede ser especificada como una función handle.
x = fmincon(@myfun,x0,A,b,Aeq,beq,lb,ub,@mycon)
Donde mycon es una función de MATLAB como:
function [c,ceq] = mycon(x)
c = ... % Compute nonlinear inequalities at x
ceq = ... % Compute nonlinear equalities at x
Si el gradiente de las restricciones necesita ser calculado la opción GradConstr debe estar en 'on', como
puede observarse en lo siguiente:
options = optimset('GradConstr','on')
Cuando la opción nonlcon deba volver, en los terceros y cuartos argumentos de salida, GC, el gradiente de
c(x), y GCeq, el gradiente de ceq(x). Debe tenerse presente que por medio de comprobar el valor de la
opción nargout la función GC y GCeq puede evitar ser calculada cuando la opción nonlcon es llamada con
solo dos argumentos de salida (en el caso donde el algoritmo de optimización solo necesite los valores de c
y ceq pero no los de GC y GCeq).
c = ... % Nonlinear inequalities at x
ceq = ... % Nonlinear equalities at x
if nargout > 2 % nonlcon called with 4 outputs
GC = ... % Gradients of the inequalities
GCeq = ... % Gradients of the equalities
end
Si nonlcon retorna un vector c de m componentes y x tiene longitud n, donde n es la longitud de x0, cuando
el gradiente GC de c(x) es una matriz n x m, donde GC(i,j) es la derivada parcial de c(j) con respecto a x(i),
(la j-ésima columna de GC es el gradiente de la j-ésima restricción de desigualdad c(j)). De la misma
manera, si ceq, tiene p componentes, el gradiente GCeq de ceq(x) es una matriz n x p, donde GCeq(i,j) es la
derivada parcial de ceq(j) con respecto a x(i) ( la j-ésima columna de GCeq es el gradiente de la j-ésima
restricción de igualdad ceq(j)).
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Optimización de Funciones Lineales con Restricciones en MATLABTM: Teoría y Ejemplos 14
Solución de Problemas de Optimización empleando
MATLAB™
Ejemplo #1
Minimizar la función f(x1, x2) = 2x1 + 8x2 sometida a las restricciones [3]:
;0≥
1x
;0≥
2x
;842≥+
21xx
;052≤−
21xx
;55≤+−
21xx
Llamando, respectivamente r, s y t a las rectas expresadas en las tres últimas restricciones, la zona de
soluciones factibles sería:
4
3


1

s=2X1-5X2=0
t=-X1+5X2=5
Region Fac tible
0123456789-1
X1
Figura 1. Grafica para obtener los puntos de intersección de las restricciones del ejemplo 1
Siendo los vértices:
A intersección de r y t:
=+842xx
⎫
91021
⎞⎛
→
⎟⎜
⎬
=+−55Axx
7,7
⎠⎝
21
⎭
B intersección de s y t:
=−
⎫
)2,5(05221Bxx→
=+−
55xx⎬
21⎭
C intersección de r y s:
=+842xx
⎫
82021
⎞⎛
→
⎟⎜
⎬
=−053Cxx
9,9
⎠⎝
21
⎭
Siendo los valores de la función objetivo en ellos:
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Optimización de Funciones Lineales con Restricciones en MATLABTM: Teoría y Ejemplos 15
1,139298102)(≈=+=Af
777
262*85*2)(=+=Bf
5,1110488202)(≈=+=Cf minimo
999
Alcanzándose el mínimo en el punto C.
Resolución en MATLAB
Minimizar la función f(x1, x2) = 2x1 + 8x2 sometida a las restricciones:
;0≥
1x
;0≥
2x
;842≥+
21xx
;052≤−
21xx
;55≤+−
21xx
Para resolver el siguiente problema en MATLAB es necesario que todas las restricciones estén de la forma:
≤ 0 para poder crear el archivo M-file, esto se logra multiplicando cada restricción por -1 quedando:
;0≤x
1
;0≤x
2
;0842≤+−−xx
21
;052≤−xx
21
;55≤+−xx
21
- Luego se crea un archivo M-file en MATLAB definiendo la función objetivo; quedando de la
siguiente manera:
%Creación de un archivo M-file para definir la función objetivo
function f = objfun(x)
f = 2*x(1) +8*x(2);
- Otro archivo M-file es creado para definir las restricciones del problema, las cuales todas deben
ser ≤ 0, quedando:
function [c, ceq] = confun(x)
% restricciones de desigualdades lineales o no lineales
c = [-x(1); -x(2); -2*x(1)-4*x(2)+8; 2*x(1)-5*x(2); -x(1)+5*x(2)-5];
% restricciones de igualdades lineales o no lineales
ceq = [];
Se observa que en ceq no se define ninguna inecuación, esto se debe a que todas las restricciones dadas en
el problema son de la forma G(x) ≤ 0 o G(x) ≥ 0 pero no de la forma G(x) = 0.
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Optimización de Funciones Lineales con Restricciones en MATLABTM: Teoría y Ejemplos 16
Luego se crea otro archivo M-file que se encargue de llamar a los otros dos archivos M-file donde se
definen la función objetivo y las restricciones del problema, de la siguiente manera:
%Programa de ejemplo de utilización de funciones del toolbox de
%optimización en MATLAB
%Realizado por:- Marchena Williams
% - Ornelas Carlos
%Supervizado por: Gonzalez-Longatt, F.
%Fecha: 12-02-2006
%UNEFA - Núcleo Maracay
%-----------------------------------------------------------------
clc % Borra la pantalla
clear % Borra todas las variables
disp(' ') % DISP: muestra una cadena de caracteres
disp(' Ejemplo 1')
disp('------------------------------------------------------------')
disp(' Condiciones Iniciales')
x0=[-1,1]
options=optimset('LargeScale','off');
[x,fval]=fmincon(@objfun,x0,[],[],[],[],[],[],@confun,options)
%---------------------------------------------------------------------
Donde se indican los valores iniciales de x, se indica que es una función de media escala ya que la de larga
escala esta en modo 'off', y por ultimo se indican los valores que se desean de la solución, en este caso:
[x,fval], y se llama la función objetivo con objfun y sus restricciones con confun. Dando el siguiente
resultado:
Optimization terminated: first-order optimality measure less
than options.TolFun and maximum constraint violation is less
than options.TolCon.
Active inequalities (to within options.TolCon = 1e-006):
lower upper ineqlin ineqnonlin
3
4
x =
2.2222 0.8889
fval =
11.5556
Al obtener este resultado con la aplicación de MATLAB y compararlo con el obtenido de forma gráfica, se
comprueba de forma consistente que la solución del problema es efectivamente en el punto C, que es el
punto donde se alcanza el mínimo para la función f(x1, x2) = 2x1 + 8x2.
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Optimización de Funciones Lineales con Restricciones en MATLABTM: Teoría y Ejemplos 17
Ejemplo #2
Determine los valores de x que minimicen la siguiente función: f(x)=-x1x2x3Que comienza en el punto:
,
x= [10; 10; 10], y sujeta a las siguientes restricciones [1]:
72220≤++≤xxx
321
Este ejemplo es tomado de la optimización toolbox para uso con MATLAB, el cual es un ejemplo resuelto
de la siguiente manera:
Primero, escriba un M-file que devuelva un valor escalar f de la función evaluada en x
Function f = myfun(x)
F = -x(1)*x(2)*x(3);
Entonces, reescriba las restricciones como dos ecuaciones, menor que o igual a una constante:
022≤−−−xxx
321
7222≤++
321xxx
Puesto que ambas restricciones son lineales, formulándolo como una matriz de desigualdad A*x = b,
donde:
−−−221
⎤⎡
0
⎡
=b
=A ⎤
⎥⎢
⎢
72
111⎥
⎥⎢
⎦⎣
⎦⎣
Luego coloque un punto de partida e invoque la optimización:
x0 = [10; 10; 10]; % comenzar conjetura de la solución
[x,fval] = fmincon(@myfun,x0,A,b)
Después de 66 evaluaciones de la función, la solución es:
x =
24.0000
12.0000
12.0000
Donde la función evaluada es:
fval =
-3.4560e+03
Y las restricciones lineales de desigualdad, se evalúan para ser menor o igual que cero:
A*x-b=
-72
0
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Optimización de Funciones Lineales con Restricciones en MATLABTM: Teoría y Ejemplos 18
Resolución en MATLAB
Determine los valores de x que minimicen la siguiente función: f(x)=-x1x2x3,Que comienza en el punto: x =
[10; 10; 10], y sujeta a las siguientes restricciones:
72220≤++≤xxx
321
Creación del archivo M-file para definir la función objetivo:
%Creación de un archivo M-file para definir
%la función objetivo
función f = objfun(x)
f = -x(1)*x(2)*x(3);
Luego, creando otro archivo M-file se definen las restricciones de la función objetivo
%Restricciones son lineales de desigualdad
función [c, ceq] = confun(x)
% restricciones no lineales de desigualdad
c = [-x(1)-2*x(2)-2*x(3);
x(1)+2*x(2)+2*x(3)-72];
% restricciones no lineales de igualdad
ceq = [];
Por último es creado otro archivo M-file para definir las variables de entrada, a través de las cuales
obtenemos los resultados de la optimización
%Programa de ejemplo de utilización de funciones del toolbox de
%optimización en MATLAB
%realizado por:- Marchena Williams
% - Ornelas Carlos
%Supervizado por: Gonzalez-Longatt, F.
%Fecha: 12-02-2006
%UNEFA - Núcleo Maracay
%-----------------------------------------------------------------
disp(' ')
disp(' Ejemplo 2')
disp('-----------------------------------------------------------')
disp(' Condiciones Iniciales')
x0=[10; 10; 10]
disp('Matrices de Coeficientes de Ax=b')
A=[-1 -2 -2; 1 2 2]
b=[0; 72]
options=optimset('LargeScale','off');
[x,fval]=fmincon(@objfun1,x0,A,b,[],[],[],[],@confun1,options)
En este caso, como las restricciones son de igualdad del tipo: A*x = b, definiendo las restricciones en
forma de A*x = b, donde A es una matriz y b un vector, como se menciona anteriormente, una vez definida
A y b, se indica a fmincon para poder obtener la optimización, como sigue:
Condiciones Iniciales
x0 =
10
10
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Optimización de Funciones Lineales con Restricciones en MATLABTM: Teoría y Ejemplos 19
10
Matrices de Coeficientes de Ax=b
A =
-1 -2 -2
1 2 2
b =
0
72
Optimization terminated: magnitude of directional derivative in search
direction less than 2*options.TolFun and maximum constraint violation
is less than options.TolCon.
Active inequalities (to within options.TolCon = 1e-006):
lower upper ineqlin ineqnonlin
2 2
x =
24.0000
12.0000
12.0000
fval =
-3.4560e+003
Al realizar el ejercicio por medio de las aplicaciones de MATLAB se puede observar que la solución
alcanzada para el valor de x que reduce al mínimo la función f(x)=-x1x2x3, es el punto x= (24,12,12), y
donde el valor de la función evaluada en este punto x, es de -3.4560e+003. De esta manera se corrobora el
resultado ya arrojado en el cálculo mostrado anteriormente.
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Optimización de Funciones Lineales con Restricciones en MATLABTM: Teoría y Ejemplos 20
Ejemplo #3
Encuentre el valor de x que reduce al mínimo [1]:
−−=
321645)(xxxxf−
Sujeto a:
+−
32120xxx≤
++
32142423xxx≤
+
213023xx≤
≤≤
3210,0,0xxx≤
Primero, introduzca los coeficientes:
f = [-5; -4; -6]
A = [1 -1 1
3 2 4
3 2 0];
b = [20; 42; 30];
lb = zeros(3,1);
Luego, se llama la rutina de programación lineal [x,fval,exitflag,output,lambda] =
linprog(f,A,b,[],[],lb);
Introduciendo x, lambda.ineqlin, y lambda.lower, se coloca:
x =
0.0000
15.0000
3.0000
lambda.ineqlin =
0
1.5000
0.5000
lambda.lower =
1.0000
0
0
Resolución en MATLAB
Encuentre el valor de x que reduce al mínimo:
−−=
321645)(xxxxf−
Sujeto a:
+−
32120xxx≤
++
32142423xxx≤
+
213023xx≤
≤≤
3210,0,0xxx≤
Creación del archivo M-file para definir la función objetivo de la siguiente manera:
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Optimización de Funciones Lineales con Restricciones en MATLABTM: Teoría y Ejemplos 21
function f = objfun(x)
f = -5*x(1)-4*x(2)-6*x(3);
Luego, creando otro archivo M-file se definen las restricciones de la función objetivo:
%Definición de las restricciones, las cuales son ecuaciones
%lineales de desigualdad.
función [c, ceq] = confun(x)
% Nonlinear inequality constraints
c = [x(1)-x(2)+2*x(3)-20; 3*x(1)+2*x(2)+4*x(3)-42;
3*x(1)+2*x(2)-30; -x(1); -x(2); -x(3)];
% Nonlinear equality constraints
ceq = [];
Por último se crea otro archivo M-file para definir las variables de entrada, a través de las cuales obtenemos
los resultados de la optimización:
%Programa de ejemplo de utilización de funciones del toolbox de
%optimización en MATLAB
%realizado por:- Marchena Williams
% - Ornelas Carlos
%Supervizado por: Gonzalez-Longatt, F.
%Fecha: 12-02-2006
%UNEFA - Núcleo Maracay
%-----------------------------------------------------------------
clc %Borrar la pantalla
clear %Borrar todas las variables
disp(' ') %DISP: muestra una cadena de caracteres
disp(' ejemplo 3')
disp('------------------------------------------------------------')
disp('Condiciones iniciales')
x0 = [-1,1,1]
options = optimset('LargeScale','off');
f = [-5; -4; -6]
A = [1 -1 1
3 2 4
3 2 0];
b = [20; 42; 30];
[x, fval] = fmincon(@objfun2,x0,A,b,[],[],[],[],@confun2,options)
Al igual que en el ejercicio anterior, como las restricciones son de igualdad del tipo: A*x = b, definiendo
las restricciones en forma de A*x = b, donde A es una matriz y b un vector, como se menciona
anteriormente, una vez definida A y b, se indica a fmincon para poder obtener la optimización, como
sigue:
Ejemplo 3
------------------------------------------------------------
Condiciones iniciales
x0 =
-1 1 1
f =
-5
Solo para empleado con objetivodeevaluación, o académicos. Prohibido reproducción o parcial de documento sin consentimiento de los autores. serlatotal este
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Optimización de Funciones Lineales con Restricciones en MATLABTM: Teoría y Ejemplos 22
-4
-6
Optimization terminated: first-order optimality measure less
than options.TolFun and maximum constraint violation is less
than options.TolCon.
Active inequalities (to within options.TolCon = 1e-006):
lower upper ineqlin ineqnonlin
2 2
3 3
4
x =
0 15.0000 3.0000
fval =
-78.0000
Al realizar el ejercicio por medio de las aplicaciones de MATLAB se puede observar que la solución
alcanzada para el valor de x que reduce al mínimo la función f(x)= -5x1-4x2-6x3 , es el punto x =( 0,15,3), y
donde el valor de la función evaluada en este punto x, es de -78. De esta manera se corrobora el resultado
ya arrojado en el cálculo mostrado anteriormente.
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Optimización de Funciones Lineales con Restricciones en MATLABTM: Teoría y Ejemplos 23
Ejemplo 4
A una persona le tocan 10 millones de bolívares en una lotería y le aconsejan que las invierta en dos tipos
de acciones, A y B. Las de tipo A tienen más riesgo pero producen un beneficio del 10 %. Las de tipo B son
más seguras, pero producen sólo el 7% anual. Después de varias deliberaciones decide invertir como
máximo 6 millones en la compra de acciones A y por lo menos, 2 millones en la compra de acciones B.
Además, decide que lo invertido en A sea, por lo menos, igual a lo invertido en B. ¿Cómo deberá invertir 10
millones para que le beneficio anual sea máximo? [3]
Sean las variables de decisión:
x1= cantidad invertida en acciones A
x2= cantidad invertida en acciones B
La función objetivo es:
21710xx
=
100100)(xf+
=
2107.01.0)(xxxf+
Y las restricciones son:
≥≥
⎫
210;0xx
⎪
≤+
2110xx
⎪
⎪
≤
⎬
16x
⎪
≤
22x
⎪
⎪
≥
21xx
⎭
La zona de soluciones factibles es:
15
u
10r
X1+X2=10
X1=X2
X2
X1=6
5B
X2=2C
t
AD
0510150
X1
Figura 2. Grafica para obtener los puntos de intersección de las restricciones de la función objetivo
del Ejemplo 4
Siendo los vértices del recinto:
A intersección de u,t:
=
⎫
)2,2(21Axx→
=
2x⎬
2⎭
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Optimización de Funciones Lineales con Restricciones en MATLABTM: Teoría y Ejemplos 24
B intersección de r,u:
=+
⎫
)5,5(1021Bxx→
⎬
=
21xx⎭
C intersección de r,s:
=+
⎫
)4,6(1021Cxx→
6x⎬=
1⎭
D intersección se s,t:
=
⎫
)2,6(61Dx→
2x⎬=
2⎭
La función objetivo toma en ellos los valores:
millones34,0341420)(=
+=
Af
100100100=
millones85.0853550)(=
+=
Bf
100100100=
millones88.0882860)(= MAXIMO
+=
Cf
100100100=
millones74,0741460)(=
+=
Df
100100100=
Siendo la solución óptima invertir 6 millones de bolívares en acciones tipo A y 4 millones en acciones tipo
B.
Solo para empleado con objetivodeevaluación, o académicos. Prohibido reproducción o parcial de documento sin consentimiento de los autores. serlatotal este
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Optimización de Funciones Lineales con Restricciones en MATLABTM: Teoría y Ejemplos 25
Resolución en MATLAB
La función objetivo es:
=
2107.01.0)(xxxf+
Y las restricciones son:
≥≥
≤−≤−
0;00;0xxxx
⎫
⎧
2121
⎪
⎪
≤+
≤−+
01010xxxx
2121
⎪
⎪
⎪
⎪
≤
≤−→
066xx
⎬
⎨
11
⎪
⎪
≥
≤+−
022xx
22
⎪
⎪
⎪
⎪
≥
≤+−
0xxxx
2121
⎭
⎩
Creación del archivo M-file para definir la función objetivo:
%creación de un archivo M-file para definir la función objetivo
function f = objfun(x)
f =-(0.1*x(1) + 0.07*x(2));
- Luego, creando otro archivo M-file se definen las restricciones de la función objetivo:
%Restricciones de inecuaciones lineales
function [c, ceq] = confun(x)
% Nonlinear inequality constraints
c = [-x(1); -x(2); x(1)+x(2)-10; x(1)-6; -x(2)+2;
-x(1)+x(2)];
% Nonlinear equality constraints
ceq = [];
Por último se crea otro archivo M-file para definir las variables de entrada, a través de las cuales obtenemos
los resultados de la optimización:
%Programa de ejemplo de utilización de funciones del toolbox de
%optimización en MATLAB
%realizado por:- Marchena Williams
% - Ornelas Carlos
%supervizor: Francisco M. Gonzalez-Longatt
%Fecha: 12-02-2006
%UNEFA - Núcleo Maracay
%-----------------------------------------------------------------
disp (' ')
disp('Ejemplo 4')
disp('---------------------------------------------------------------')
disp('condiciones iniciales')
x0=[-1,1]
options=optimset('LargeScale','off');
[x,fval]=fmincon(@objfun3,x0,[],[],[],[],[],[],@confun3,options)
Como las restricciones son de igualdad del tipo: A*x = b, definiendo las restricciones en forma de Ax = b,
donde A es una matriz y b un vector, como se menciona anteriormente, una vez definida A y b, se indica a
fmincon para poder obtener la optimización, como sigue:
Solo para empleado con objetivodeevaluación, o académicos. Prohibido reproducción o parcial de documento sin consentimiento de los autores. serlatotal este
W. Marchena, C Ornelas. F. Gonzalez-Longatt, Febrero 2007 REPORTE 2007-09
Optimización de Funciones Lineales con Restricciones en MATLABTM: Teoría y Ejemplos 26
Ejemplo 4
---------------------------------------------------------------
Condiciones iniciales
x0 =
-1 1
Optimization terminated: first-order optimality measure less
than options.TolFun and maximum constraint violation is less
than options.TolCon.
Active inequalities (to within options.TolCon = 1e-006):
lower upper ineqlin ineqnonlin
3
4
x =
6 4
fval =
-0.8800
Al obtener este resultado con la aplicación de MATLAB y compararlo con el obtenido de forma gráfica, se
comprueba de forma consistente que la solución del problema es efectivamente invertir 6 millones de
bolívares en acciones tipo A y 4 millones en acciones tipo B. Es importante señalar que el hecho en que la
evaluación de la función en el punto arrojado x= (6,4), de un resultado negativo (-), se debe a que
MATLAB establece que para maximizar la función f se aplica una optimización para minimizar la función
-f. El punto resultante donde el máximo f ocurre también es el punto donde el mínimo de -f ocurre.
Solo para empleado con objetivodeevaluación, o académicos. Prohibido reproducción o parcial de documento sin consentimiento de los autores. serlatotal este
W. Marchena, C Ornelas. F. Gonzalez-Longatt, Febrero 2007 REPORTE 2007-09
Optimización de Funciones Lineales con Restricciones en MATLABTM: Teoría y Ejemplos 27
Referencias Bibliográficas
[1] User`s Guide for Mathworks “Optimization Toolbox For use with MATLAB”. 1990 – 2006.
[2] MatlabTM R2006a. (Online) disponible en: http://www.mathworks.com.
[3] M.A. Juan Ricardo Salinas Ascencio, Mg. Ovidio Zubieta Bejar, Doc. Juan Morales Romero. “Problemas resueltos de
Programación Lineal”.
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