An´lise de Sensibilidade
      a

       Alexandre Salles da Cunha


         DCC-UFMG, Abril 2010




Alexandre Salles da Cunha   An´lise de Sensibilidade
                              a
Par primal-dual

      min        c ′x
                                                       max                p ′b
             Ax = b
                                                                   p′A ≤ c ′
               x ≥0

An´lise de sensibilidade envolver´ avaliar o impacto nas solu¸˜es ´timas
     a                            a                          co o
x ∗ , p ∗ do par primal-dual quando houver:

    Adi¸˜o, remo¸˜o de uma nova vari´vel.
       ca       ca                  a
    Adi¸˜o de uma restri¸˜o de desigualdade e igualdade.
       ca               ca
    Modifica¸˜es nos vetores b, c.
           co
    Modifica¸˜es em colunas b´sicas e n˜o b´sicas Aj .
           co               a         a a

A id´ia da an´lise de sensibilidade consiste em tentar restaurar a
    e        a
otimalidade diante das perturba¸˜es acima, sem resolver o PL ”do zero”.
                                 co

                   Alexandre Salles da Cunha   An´lise de Sensibilidade
                                                 a
Adi¸˜o de uma nova vari´vel
   ca                  a

Vamos supor que uma nova vari´vel xn+1 com custo cn+1 e coluna
                                a
tecnol´gica An+1 seja inserida no PL.
      o
    Claramente dispor de uma nova vari´vel n˜o altera a viabilidade da
                                        a      a
    solu¸˜o b´sica corrente. Em particular, (x ∗ , 0) ´ uma solu¸˜o b´sica
        ca a                                          e         ca a
    vi´vel para o novo programa linear.
      a
    Assim sendo, a solu¸˜o x ∗ continuar´ b´sica ´tima se a restri¸˜o dual
                       ca                 a a      o              ca
    associada ` nova vari´vel for satisfeita pela base B associada a x ∗ .
              a          a

Condi¸˜o a verificar
     ca
Diante da introdu¸˜o de xn+1 x ∗ permanece ´tima se
                  ca                       o
c n+1 = cn+1 − cB B −1 An+1 ≥ 0.
    Caso c n+1 < 0, continuamos o m´todo Simplex tendo como base
                                     e
    inicial avan¸ada a base ´tima do programa anterior.
                c           o


                   Alexandre Salles da Cunha   An´lise de Sensibilidade
                                                 a
Adi¸˜o de nova vari´vel - exemplo
   ca              a

Problema Original                               cuja solu¸˜o ´tima ´ (2, 2, 0, 0) e o
                                                         ca o      e
                                                quadro ´timo ´:
                                                        o     e
min   −5x1 − x2 + 12x3                                                     x1   x2   x3   x4
         3x1 + 2x2 + x3 = 10                         w=          12        0    0     2    7
         5x1 + 3x2 + x4 = 16                         x1 =         2        1    0    -3    2
                                                     x2 =         2        0    1     5   -3
           x1 . . . x4 ≥ 0

Introduzindo a vari´vel x5 com custo c5 = −1 e A5 = (1 1)′ , e notando
                   a
                 −1 ´ dada pelas duas ultimas colunas no Tableau
que neste caso B e                    ´
anterior, temos o novo quadro:

                                       x1      x2   x3      x4      x5
                    w=         12      0       0     2       7      -4
                    x1 =        2      1       0    -3       2      -1
                    x2 =        2      0       1     5      -3       2
                   Alexandre Salles da Cunha    An´lise de Sensibilidade
                                                  a
Adi¸˜o de nova vari´vel - exemplo
   ca              a

Fazendo o pivoteamento correspondente a entrada de x5 e sa´ de x2 ,
                                                          ıda
temos:
Quadro original
                                      x1      x2     x3      x4       x5
                   w=         12      0       0       2       7       -4
                   x1 =        2      1       0      -3       2       -1
                   x2 =        2      0       1       5      -3        2

Quadro ´timo resultante
       o
                                   x1      x2        x3         x4          x5
                  w=       16      0        2        12          1          0
                  x1 =      3      1       0.5      -0.5        0.5         0
                  x5 =      1      0       0.5       2.5       -1.5         1


                  Alexandre Salles da Cunha      An´lise de Sensibilidade
                                                   a
Adi¸˜o de uma restri¸˜o - desigualdade
   ca               ca
                         ′
    Vamos assumir que am+1 x ≥ bm+1 seja inserida no PL.
    Introduzimos uma vari´vel de folga xn+1 , reescrevemos a restri¸˜o
                           a                                         ca
     ′
    am+1 x − xn+1 = bm+1 para obter um problema novamente na forma
    padr˜o, definido pelo poliedro P = {x ∈ Rn+1 : Ax = b} onde:
         a                                     +
               A  0              b
    A=       ′          ,b =
           am+1 −1              bm+1
    Se B denota a base ´tima do programa anterior, a base associada ao
                        o
                                         B 0
    novo programa, B ´ dada por B =
                      e                             , onde a′ ´ o vetor de
                                                               e
                                         a′ −1
    m entradas de am+1 correspondente aos ´  ındices das colunas b´sicas
                                                                    a
                                                −1        B −1     0
    que definem B. N˜o ´ dif´ verificar que B =
                     a e ıcil
                                                         a′ B −1 −1
    O novo vetor de custos reduzidos ´ dado por
                                       e
            ′ 0 − c′              B −1    0           A     0
    c= c               B 0                                       =
                                 a′ B −1 −1         ′
                                                   am+1 −1
                                                −1
      (c ′ − cB B −1 A) 0
              ′                 ≥ 0, logo B          ´ dual vi´vel.
                                                     e        a
                   Alexandre Salles da Cunha   An´lise de Sensibilidade
                                                 a
Introdu¸˜o de uma desigualdade - exemplo
       ca
Introduzindo a restri¸˜o x1 + x2 ≥ 5 no PL do exemplo anterior:
                     ca

Problema Original
                                                Quadro ´timo:
                                                       o
min   −5x1 − x2 + 12x3                                                       x1   x2   x3   x4
                                                      w=           12        0    0     2    7
         3x1 + 2x2 + x3 = 10
                                                      x1 =          2        1    0    -3    2
         5x1 + 3x2 + x4 = 16                          x2 =          2        0    1     5   -3
            x1 . . . x4 ≥ 0

Quadro dual vi´vel, de partida para o Dual Simplex
              a
                                        x1      x2    x3      x4        x5
                      w=         12     0       0      2       7        0
                      x1 =        2     1       0     -3       2        0
                      x2 =        2     0       1      5      -3        0
                      x5 =       -1     0       0      2      -1        1

                    Alexandre Salles da Cunha    An´lise de Sensibilidade
                                                   a
Introdu¸˜o de uma desigualdade - exemplo
       ca

Quadro dual vi´vel, de partida para o Dual Simplex
              a
                                        x1       x2       x3      x4      x5
                     w=          12     0        0         2       7      0
                     x1 =         2     1        0        -3       2      0
                     x2 =         2     0        1         5      -3      0
                     x5 =        -1     0        0         2      -1      1

Sai da base: x5 , entra na base: x4
Quadro final resultante
                                       x1       x2       x3       x4      x5
                     w=          5     0        0        16       0        0
                     x1 =        0     1        0         1       0        0
                     x2 =        8     0        1       -15       0        0
                     x4 =        1     0        0        -2       1       -1

                    Alexandre Salles da Cunha        An´lise de Sensibilidade
                                                       a
Introdu¸˜o de restri¸˜o de igualdade
       ca           ca
                    ca ′
Adicionamos a restri¸˜o am+1 x = bm+1 , violada pela solu¸˜o ´tima do PL
                                                         ca o
anterior.
Novo dual

                  max               p ′ b + pm+1 bm+1
                            p ′ A + pm+1 am+1 ≤ c ′

    Se p ∗ denota a solu¸˜o b´sica ´tima do dual anterior, (p ∗ , 0) ´ uma
                        ca a       o                                 e
    solu¸˜o vi´vel para o novo dual.
        ca    a
    Sendo p ∗ b´sica, temos que m das restri¸˜es duais p ′ A ≤ c ′ s˜o
                a                             co                     a
    linearmente independentes e ativas.
    Entretanto, para o novo ponto dual (p ∗ , 0), n˜o temos a garantia de
                                                   a
                                           ′A + p                ′
    que m + 1 restri¸˜es duais li dentre p
                    co                            m+1 am+1 ≤ c ser˜o a
    justas. Assim sendo, n˜o podemos garantir que (p
                           a                            ∗ , 0) ´ uma solu¸˜o
                                                               e         ca
    b´sica para o novo poliedro dual.
      a
                   Alexandre Salles da Cunha   An´lise de Sensibilidade
                                                 a
Introdu¸˜o de restri¸˜o de igualdade
       ca           ca
Assumimos que am+1 x ∗ > bm+1 e M suficientemente grande e
                ′

introduzimos o PL auxiliar:
                 min             c ′ + Mxn+1
                                              Ax = b
                              ′
                             am+1 x     − xn+1 = bm+1
                          x ≥ 0, xn+1 ≥ 0


    Uma base inicial vi´vel para o PL acima ´ obtida usando-se as
                       a                    e
    colunas b´sicas que definiem x ∗ e a coluna associada a xn+1 . A
             a
                                    B 0
    matriz b´sica resultante B =
            a                                 ´ vi´vel para o PL auxiliar.
                                              e a
                                    a′ −1
    Por este motivo, reotimizamos com o Simplex Primal aplicado
    partindo da base vi´vel B.
                       a
    Se na solu¸˜o do PL otimizado, M for suficientemente grande e o
              ca
    programa for vi´vel, teremos xn+1 = 0.
                   a
                  Alexandre Salles da Cunha    An´lise de Sensibilidade
                                                 a
Modifica¸˜es no vetor de fatores b
       co

Desejamos avaliar as modifica¸˜es implicadas por alterar b para b + δei :
                            co
    Se B −1 (b + δei ) ≥ 0, a otimalidade da solu¸˜o b´sica anterior ´
                                                 ca a                e
    garantida (nada mudou no dual).

Avaliando condi¸˜es para B −1 (b + δei ) ≥ 0
               co
    Seja g = (β1i , β2i , . . . , βmi ) a i -´sima coluna de B −1 .
                                             e
    Ent˜o B −1 (b + δei ) ≥ 0 implica que:
       a

                                    xB + δg ≥ 0                 ou
                               xB(j) + δβji ≥ 0 j = 1, . . . , m.

    Equivalentemente:
                 xB(j )
       ◮   δ≥−    βji ,     se βji > 0
                 xB(j
       ◮   δ≤   − βji ) ,   se βji < 0


                            Alexandre Salles da Cunha   An´lise de Sensibilidade
                                                          a
Modifica¸˜es no vetor de fatores b - exemplo
       co


                                                    ´
Vamos considerar modificar b1 para b1 + δ no Tableau Otimo dado por:

                                          x1    x2      x3      x4
                       w=         12      0     0        2       7
                       x1 =        2      1     0       -3       2
                       x2 =        2      0     1        5      -3


Observe que g = (−3 5) e ent˜o temos:
                            a
    x1 = 2 − 3δ ≥ 0 → δ ≤ 2 .
                          3
    x2 = 2 + 5δ ≥ 0 → δ ≥ − 2
                            5




                  Alexandre Salles da Cunha    An´lise de Sensibilidade
                                                 a
Modifica¸˜es no vetor de custos c
       co



Vamos considerar as implica¸˜es decorrentes de modificar cj para cj + δ, o
                           co
custo de uma vari´vel n˜o b´sica j:
                 a     a a


    A modifica¸˜o n˜o afeta a viabilidade primal, apenas a viabilidade
              ca a
    dual (otimalidade dual).
    Se cj + δ − cB B −1 Aj ≥ 0 ou seja se δ ≥ −c j a base anterior continua
    o
    ´tima. Caso esta condi¸˜o n˜o se verifique, aplicamos o primal
                            ca a
    simplex, introduzindo a vari´vel xj na base.
                                a




                   Alexandre Salles da Cunha   An´lise de Sensibilidade
                                                 a
Modifica¸˜es no custo de uma vari´vel b´sica
       co                       a     a



   Vamos considerar as implica¸˜es decorrentes de modificar cj para
                               co
   cj + δ, o custo de uma vari´vel b´sica j.
                              a     a
   Vamos assumir que j seja a vari´vel b´sica associada ` l −´sima linha
                                    a    a              a e
   do Tableau, isto ´ j = B(l ) e ent˜o cB = cB + δel .
                    e                 a
   Temos que assegurar que (cB + δel )B −1 Ai ≤ ci , ∀i = j, uma vez que
   todos os custos reduzidos, exceto c j s˜o afetados pela modifica¸˜o.
                                          a                        ca
   Definindo qli como a l -´sima entrada do vetor B −1 Ai temos que
                          e
   δqli ≤ c i , ∀i = j.




                 Alexandre Salles da Cunha   An´lise de Sensibilidade
                                               a
Exemplo - modifica¸˜es nos custos
                 co
Para o exemplo anterior:

                                               x1    x2      x3      x4
                            w=         12      0     0        2       7
                            x1 =        2      1     0       -3       2
                            x2 =        2      0     1        5      -3

Modifica¸˜es admiss´
         co           ıveis (que ainda preservam a otimalidade da base
atual) nas vari´veis:
               a
     N˜o b´sicas:
       a a
       ◮   δ3 ≥ −c 3 = −2
       ◮   δ4 ≥ −c 4 = −7
    B´sicas: adicionando δ1 a c1 , temos para j = 1, B(1) = 1,
     a
    q12 = 0, q13 = −3, q14 = 2.
       ◮   δ1 q12 ≤ c2 , triv. satisfeita.
                                    2
       ◮   δ1 q13 ≤ c3 → δ1 ≥ − 3
                                  7
       ◮   δ1 q14 ≤ c4 → δ1 ≥ 2
                       Alexandre Salles da Cunha    An´lise de Sensibilidade
                                                      a
Mudan¸as no vetor tecnol´gico Aj
     c                  o

Caso 1: j ´ uma vari´vel n˜o b´sica:
          e         a     a a


    A viabilidade da base ´tima (em rela¸˜o ao primal) n˜o ´ afetada.
                          o             ca              a e
    ´
    E necess´rio verificar se a otimalidade (viab. dual) ´ afetada, atrav´s
            a                                           e               e
    da n˜o negatividade do custo reduzido c j .
        a

    Vamos considerar que a entrada aij de A foi alterada para aij + δ.
    Ent˜o precisamos garantir que cj − p ′ (Aj + δei ) ≥ 0 ou
       a
    equivalentemente c j − δpi ≥ 0, onde p ′ = cB B −1 .
                                                 ′


    Caso a condi¸˜o acima seja violada, j deve entrar na base (Primal
                ca
    Simplex).



                   Alexandre Salles da Cunha   An´lise de Sensibilidade
                                                 a
Mudan¸as no vetor tecnol´gico Aj
     c                  o
Caso 2: j ´ uma vari´vel b´sica:
          e         a     a

    A viabilidade da base ´tima pode ser afetada, tanto no primal quanto
                          o
    no dual.
    Assumindo que aij seja alterado para aij + δ, o conjunto de valores
    admiss´ıveis para a varia¸˜o resultar ainda em uma base ´tima ´ um
                             ca                             o     e
    intervalo (assim como nos casos anteriores).
    Assumindo solu¸˜o primal e dual ´timas n˜o dengeradas dadas por
                      ca               o       a
    x ∗ , p, se a coluna Aj for modificada para Aj + δei temos que:
                          c ′ x(δ) = c ′ x ∗ − δxj∗ pi + O(δ2 )

    Interpreta¸˜o em termos do problema da dieta: se aij aumenta em δ,
               ca
    ganhamos de gra¸a, δ unidades do nutriente i por unidade do
                      c
    alimento j. Uma vez que pi denota o custo marginal do nutriente i ,
    δpi xj∗ denota a redu¸˜o de custo esperada.
                         ca
                   Alexandre Salles da Cunha   An´lise de Sensibilidade
                                                 a
Dependˆncia da otimalidade em fun¸˜o de b
      e                          ca

   Reescrevendo a regi˜o de viabilidade primal para deixar expl´
                      a                                        ıcita a
   dependˆncia do vetor b, temos que
          e

                          P(b) = {x : Ax = b, x ≥ 0}



   Vamos definir S = {b : P(b) = ∅}.

   Observe ent˜o que S pode ser reescrito como S = {Ax : x ≥ 0} que ´
              a                                                     e
   um conjunto convexo.

   Para qualquer vetor b ∈ S, vamos redefinir o custo ´timo do
                                                     o
   Problema primal como:

                                F (b) = minx∈P(b) c ′ x


                 Alexandre Salles da Cunha   An´lise de Sensibilidade
                                               a
Dependˆncia da otimalidade em fun¸˜o de b
      e                          ca



   Vamos assumir que o espa¸o dual p ′ A ≤ c ′ seja n˜o vazio.
                           c                         a

   Por dualidade, temos que F (b) > ∞, ∀b ∈ S, isto ´, o problema
                                                    e
   primal admite ´timo finito para todo b.
                 o

   Vamos tentar compreender a estrutura da fun¸˜o F (b), b ∈ S. Para
                                              ca
   tanto, vamos nos fixar em um determinado b ∗ ∈ S.

   Vamos supor que o objetivo ´timo F (b ∗ ) ´ dada por uma base ´tima
                               o             e                   o
   B associada a uma solu¸˜o b´sica xB = B −1 b ∗ n˜o degenerada e que
                          ca a                      a
   o correspondente vetor de custos reduzidos seja n˜o negativo.
                                                    a




                 Alexandre Salles da Cunha   An´lise de Sensibilidade
                                               a
Dependˆncia da otimalidade em fun¸˜o de b
      e                          ca


    Sendo n˜o denenerada, podemos modificar b ∗ para b e desde que
             a
    b ∗ − b seja suficientemente pequena B −1 b ≥ 0 ser´ uma solu¸˜o
                                                      a         ca
    b´sica vi´vel ´tima para o problema perturbado.
     a       a o

    Logo, para b suficientemente pr´ximo de b ∗ , F (b) = cB B −1 b = p ′ b.
                                  o                       ′


    Isto ´, nas vizinhan¸as de b ∗ , F (b) ´ uma fun¸˜o linear de b e seu
         e              c                  e        ca
    gradiente ´ dado por p.
               e


Teorema
O custo ´timo F (b) ´ uma fun¸˜o convexa de b no conjunto S.
        o           e        ca




                   Alexandre Salles da Cunha   An´lise de Sensibilidade
                                                 a
Estrutura de F (b)

Teorema
O custo ´timo F (b) ´ uma fun¸˜o convexa de b no conjunto S.
        o           e        ca

Prova
    Tomemos b 1 , b 2 ∈ S e seja x i : i = 1, 2 as correspondentes solu¸˜es
                                                                       co
    que minimizam F (b   1 ), F (b 2 ), respectivamente.

    Tome um escalar λ ∈ [0, 1] e defina y = λx 1 + (1 − λ)x 2 :
        ◮   y ∈ P(λb 1 + (1 − λ)b 2 ) → y ´ vi´vel.
                                          e a
    Observe que:

                F (λb 1 + (1 − λ)b 2 ) ≤             c ′y
                                       =  λc ′ x 1 + (1 − λ)c ′ x 2

                                       = λF (b 1 ) + (1 − λ)F (b 2 )



                       Alexandre Salles da Cunha   An´lise de Sensibilidade
                                                     a
Elaborando melhor o Teorema anterior

Vamos elaborar o Teorema, avaliando agora o dual abaixo, que assumimos
ser vi´vel:
      a

                            max                 p′b
                                       p′A ≤ c ′



    Por dualidade, para todo b ∈ S, F (b) = ′b para algum p.

    Sendo A uma matriz de posto m (completo), o poliedro dual possui
    pelo menos um ponto extremo.

    Sejam p 1 , . . . , p N os pontos extremos do poliedro dual.

    Ent˜o temos que F (b) = maxi =1,...,N (p i )′ b, b ∈ S
       a


                    Alexandre Salles da Cunha    An´lise de Sensibilidade
                                                   a
Interpretando F (b) = maxi=1,...,N (p i )′b, b ∈ S
    F ´ dado pelo m´ximo de uma cole¸˜o finita de fun¸˜es lineares.
       e              a                  ca              co
    F ´ ent˜o dado pelo envelope superior de um conjunto finito de
       e    a
    fun¸˜es lineares, sendo ent˜o linear por partes e convexa (prova
        co                     a
    alternativa do teorema anterior).




                  Alexandre Salles da Cunha   An´lise de Sensibilidade
                                                a
Sobre a diferenciabilidade de F (b) em rela¸˜o a b
                                           ca


    Para alguns valores de b (nos pontos onde duas fun¸˜es lineares
                                                               co
    (p i )′ b e (p j )′ b se encontram), F (b) n˜o ´ diferenci´vel.
                                                a e           a

    Nestes pontos, o programa dual admite mais de uma solu¸˜o otima.
                                                             ca ´
    Para tais valores de b, qualquer combina¸˜o linear convexa de p i e p j
                                            ca
    fornecem um vetor dual ´timo (subgradiente de F (b) em b !).
                             o

    Consequentemente, para estes valores de b a solu¸˜o primal ´
                                                    ca         e
    degenerada. Vimos que para uma solu¸˜o primal n˜o degenerada,
                                          ca         a
    F (b) ´ localmente linear com b, n˜o podendo ser associada a um
          e                           a
    ponto n˜o diferenci´vel de F (b).
             a         a



                   Alexandre Salles da Cunha   An´lise de Sensibilidade
                                                 a
Comportamento de F (b)
   Vamos avaliar o comportamento de F (b) quando um determinado
   tipo de modifica c˜o ocorre em b ∗ .
                     a
   Vamos verificar o que ocorre com F (b) quando, para b ∗ e d fixos,
   b = b ∗ + θd, para θ um escalar.
   Pela defini¸˜o de F (b) temos que:
              ca
        F (b(θ)) = F (θ) = maxi =1,...,N (p i )′ (b ∗ + θd), b ∗ + θd ∈ S




                  Alexandre Salles da Cunha   An´lise de Sensibilidade
                                                a
O conjunto de solu¸˜es duais ´timas
                  co         o


Defini¸˜o - subgradiente
     ca
Seja F uma fun¸˜o convexa definida em um conjunto convexo S. Seja b ∗
              ca
um elemento de S. Dizemos que um vetor p ´ um subgradiente de F em
                                                  e
b ∗ se:
                  F (b ∗ ) + p ′ (b − b ∗ ) ≤ F (b), ∀b ∈ S



    Para a defini¸˜o do subgradiente, n˜o ´ feita nenhuma hip´tese de
                  ca                  a e                   o
    diferenciabilidade de F .
    Observe que o subgradiente generaliza o conceito de gradiente para
    uma fun¸˜o convexa diferenci´vel definida em um conjunto convexo.
           ca                   a



                  Alexandre Salles da Cunha   An´lise de Sensibilidade
                                                a
Subgradientes de F (b)
    Quando b ∗ ´ um ponto para o qual (p i )′ b ∗ = (p j )′ b ∗ , isto ´ b ∗ define
               e                                                       e
    uma quina de F (b), existem v´rios subgradientes.
                                  a
    Quando F (b) ´ linear nas vizinhan¸as de b ∗ h´ apenas um
                  e                   c            a
    subgradiente.




                    Alexandre Salles da Cunha   An´lise de Sensibilidade
                                                  a
O conjunto de solu¸˜es duais ´timas
                  co         o


Teorema
Assuma que o problema min c ′ x, x ∈ P(b ∗ ) assuma custo ´timo finito.
                                                          o
Ent˜o o vetor p ´ uma solu¸˜o ´tima para o problema dual associado se e
   a            e         ca o
somente se p for um subgradiente de F (b) em b ∗ .

Prova: →
    Por dualidade forte temos p ′ b ∗ = F (b ∗ ).
    Tome b ∈ S e x ∈ P(b). Por dualidade fraca temos p ′ b ≤ c ′ x.
               ınimo em x temos que p ′ b ≤ F (b).
    Tomando o m´
    Ent˜o p ′ b − p ′ b ∗ ≤ F (b) − F (b ∗ ) que implica que
        a
    F (b ∗ ) + p ′ (b − b ∗ ) ≤ F (b) e logo p ´ um subgradiente de F em b ∗ .
                                               e



                    Alexandre Salles da Cunha   An´lise de Sensibilidade
                                                  a
O conjunto de solu¸˜es duais ´timas
                  co         o
Prova: ←
   Hip´tese: F (b ∗ ) + p ′ (b − b ∗ ) ≤ F (b) (p ´ subgradiente).
      o                                           e
   Tome x ≥ 0, seja b = Ax e observe que x ∈ P(b).
   Por dualidade fraca F (b) ≤ c ′ x.
   Ent˜o temos:
      a
                         p ′ Ax     =           p ′b
                                    ≤ F (b) − F (b ∗ ) + p ′ b ∗
                                    ≤ c ′ x − F (b ∗ ) + p ′ b ∗

   Uma vez que p ′ Ax ≤ c ′ x − F (b ∗ ) + p ′ b ∗ deve valer para qualquer x e
   que −F (b ∗ )p ′ b ∗ ´ um valor que independe de x, p ′ A ≤ c ′ . Logo p ′ ´
                        e                                                     e
   dual vi´vel.
          a
   Em particular para x = 0 temos F (b ∗ ) ≤ p ′ b ∗ . Por dualidade fraca
   temos que toda solu¸˜o dual vi´vel q satisfaz q ′ b ≤ F (b ∗ ) ≤ p ′ b ∗ .
                       ca        a
         ∗ ´ ´tima para o dual.
   Logo p e o
                   Alexandre Salles da Cunha   An´lise de Sensibilidade
                                                 a
Avalia¸˜o da otimalidade em fun¸˜o de c
      ca                       ca


   Vamos desenvolver racioc´ an´logo para a dependˆncia da
                           ınio a                   e
   otimalidade em fun¸˜o de modifica¸˜es no vetor de custos c.
                     ca            co
   Manteremos A e b fixos e perturbaremos c.
   Para tanto, vamos considerar o espa¸o de viabiliade dual p ′ A ≤ c ′ .
                                      c
   Vamos definir Q(c) = {p : p ′ A ≤ c ′ } e T = {c : Q(c) = ∅}.
   Dados c 1 , c 2 ∈ T , existem p 1 , p 2 (respectivamente) tais que
   (p i )′ A ≤ c ′ . Para qualquer escalar λ ∈ [0, 1], temos
   (λ(p 1 )′ + (1 − λ)(p 2 )′ )A ≤ λ(c 1 )′ + (1 − λ)(c 2 )′ e portanto
   λ(p 1 )′ + (1 − λ)(p 2 )′ ∈ T .
   Consequentemente T ´ convexo.
                      e




                   Alexandre Salles da Cunha   An´lise de Sensibilidade
                                                 a
Avalia¸˜o da otimalidade em fun¸˜o de c
      ca                       ca


   Tomando c ∈ T (dual invi´vel), o problema primal ´ ilimitado. Por
                             a                      e
   outro lado, se c ∈ T o custo primal ´ finito.
                                       e
   Ent˜o vamos assumir que c ∈ T e vamos denotar o custo primal
      a
   o
   ´timo por G (c).
   Vamos denotar por x 1 , . . . , x N as solu¸˜es b´sicas do poliedro
                                              co    a
         n : Ax = b}. Assim sendo, temos que
   {x ∈ R+

                               G (c) = mini =1,...,N c ′ x i

   e G (c) corresponde ao envelope inferior de uma cole¸˜o de fun¸˜es ´
                                                       ca        co e
   lineares, sendo uma fun¸˜o linear por partes concava.
                          ca




                  Alexandre Salles da Cunha   An´lise de Sensibilidade
                                                a
Avalia¸˜o da otimalidade em fun¸˜o de c
      ca                       ca




   Se para um valor c ∗ o programa primal admite uma unica solu¸˜o
                                                                ´         ca
   ´tima x i , ent˜o temos que (c ∗ )′ x i < (c ∗ )′ x j : ∀j = i .
   o                a
   Para todo c suficientemente pr´ximo a c ∗ , (c ∗ )′ x i < (c ∗ )′ x j : ∀j = i
                                    o
   deve continuar valendo. Desta forma, para solu¸˜es primais unicas
                                                           co          ´
   G (c) = c ∗ x i .
   Para o caso de solu¸˜o primal m´ltipla, o correspondente valor de c
                        ca             u
   deve ser induzir uma quina de G (c).
                   Alexandre Salles da Cunha   An´lise de Sensibilidade
                                                 a
Em s´
    ıntese




Teorema
 1   O conjunto T de todos os valores de c para os quais o custo ´timo ´
                                                                 o     e
     finito ´ convexo.
           e
 2   A fun¸˜o custo ´timo G (c) ´ uma fun¸˜o concava de c em T .
          ca        o           e        ca
 3   Se para um determinado valor c, a solu¸˜o primal ´tima ´ unica,
                                            ca         o      e´
     ent˜o G ´ linear nas vizinhan¸as de c e seu gradiente ´ dado por x ∗ .
        a     e                   c                        e




                    Alexandre Salles da Cunha   An´lise de Sensibilidade
                                                  a

[Robson] 5. Análise de Sensibilidade

  • 1.
    An´lise de Sensibilidade a Alexandre Salles da Cunha DCC-UFMG, Abril 2010 Alexandre Salles da Cunha An´lise de Sensibilidade a
  • 2.
    Par primal-dual min c ′x max p ′b Ax = b p′A ≤ c ′ x ≥0 An´lise de sensibilidade envolver´ avaliar o impacto nas solu¸˜es ´timas a a co o x ∗ , p ∗ do par primal-dual quando houver: Adi¸˜o, remo¸˜o de uma nova vari´vel. ca ca a Adi¸˜o de uma restri¸˜o de desigualdade e igualdade. ca ca Modifica¸˜es nos vetores b, c. co Modifica¸˜es em colunas b´sicas e n˜o b´sicas Aj . co a a a A id´ia da an´lise de sensibilidade consiste em tentar restaurar a e a otimalidade diante das perturba¸˜es acima, sem resolver o PL ”do zero”. co Alexandre Salles da Cunha An´lise de Sensibilidade a
  • 3.
    Adi¸˜o de umanova vari´vel ca a Vamos supor que uma nova vari´vel xn+1 com custo cn+1 e coluna a tecnol´gica An+1 seja inserida no PL. o Claramente dispor de uma nova vari´vel n˜o altera a viabilidade da a a solu¸˜o b´sica corrente. Em particular, (x ∗ , 0) ´ uma solu¸˜o b´sica ca a e ca a vi´vel para o novo programa linear. a Assim sendo, a solu¸˜o x ∗ continuar´ b´sica ´tima se a restri¸˜o dual ca a a o ca associada ` nova vari´vel for satisfeita pela base B associada a x ∗ . a a Condi¸˜o a verificar ca Diante da introdu¸˜o de xn+1 x ∗ permanece ´tima se ca o c n+1 = cn+1 − cB B −1 An+1 ≥ 0. Caso c n+1 < 0, continuamos o m´todo Simplex tendo como base e inicial avan¸ada a base ´tima do programa anterior. c o Alexandre Salles da Cunha An´lise de Sensibilidade a
  • 4.
    Adi¸˜o de novavari´vel - exemplo ca a Problema Original cuja solu¸˜o ´tima ´ (2, 2, 0, 0) e o ca o e quadro ´timo ´: o e min −5x1 − x2 + 12x3 x1 x2 x3 x4 3x1 + 2x2 + x3 = 10 w= 12 0 0 2 7 5x1 + 3x2 + x4 = 16 x1 = 2 1 0 -3 2 x2 = 2 0 1 5 -3 x1 . . . x4 ≥ 0 Introduzindo a vari´vel x5 com custo c5 = −1 e A5 = (1 1)′ , e notando a −1 ´ dada pelas duas ultimas colunas no Tableau que neste caso B e ´ anterior, temos o novo quadro: x1 x2 x3 x4 x5 w= 12 0 0 2 7 -4 x1 = 2 1 0 -3 2 -1 x2 = 2 0 1 5 -3 2 Alexandre Salles da Cunha An´lise de Sensibilidade a
  • 5.
    Adi¸˜o de novavari´vel - exemplo ca a Fazendo o pivoteamento correspondente a entrada de x5 e sa´ de x2 , ıda temos: Quadro original x1 x2 x3 x4 x5 w= 12 0 0 2 7 -4 x1 = 2 1 0 -3 2 -1 x2 = 2 0 1 5 -3 2 Quadro ´timo resultante o x1 x2 x3 x4 x5 w= 16 0 2 12 1 0 x1 = 3 1 0.5 -0.5 0.5 0 x5 = 1 0 0.5 2.5 -1.5 1 Alexandre Salles da Cunha An´lise de Sensibilidade a
  • 6.
    Adi¸˜o de umarestri¸˜o - desigualdade ca ca ′ Vamos assumir que am+1 x ≥ bm+1 seja inserida no PL. Introduzimos uma vari´vel de folga xn+1 , reescrevemos a restri¸˜o a ca ′ am+1 x − xn+1 = bm+1 para obter um problema novamente na forma padr˜o, definido pelo poliedro P = {x ∈ Rn+1 : Ax = b} onde: a + A 0 b A= ′ ,b = am+1 −1 bm+1 Se B denota a base ´tima do programa anterior, a base associada ao o B 0 novo programa, B ´ dada por B = e , onde a′ ´ o vetor de e a′ −1 m entradas de am+1 correspondente aos ´ ındices das colunas b´sicas a −1 B −1 0 que definem B. N˜o ´ dif´ verificar que B = a e ıcil a′ B −1 −1 O novo vetor de custos reduzidos ´ dado por e ′ 0 − c′ B −1 0 A 0 c= c B 0 = a′ B −1 −1 ′ am+1 −1 −1 (c ′ − cB B −1 A) 0 ′ ≥ 0, logo B ´ dual vi´vel. e a Alexandre Salles da Cunha An´lise de Sensibilidade a
  • 7.
    Introdu¸˜o de umadesigualdade - exemplo ca Introduzindo a restri¸˜o x1 + x2 ≥ 5 no PL do exemplo anterior: ca Problema Original Quadro ´timo: o min −5x1 − x2 + 12x3 x1 x2 x3 x4 w= 12 0 0 2 7 3x1 + 2x2 + x3 = 10 x1 = 2 1 0 -3 2 5x1 + 3x2 + x4 = 16 x2 = 2 0 1 5 -3 x1 . . . x4 ≥ 0 Quadro dual vi´vel, de partida para o Dual Simplex a x1 x2 x3 x4 x5 w= 12 0 0 2 7 0 x1 = 2 1 0 -3 2 0 x2 = 2 0 1 5 -3 0 x5 = -1 0 0 2 -1 1 Alexandre Salles da Cunha An´lise de Sensibilidade a
  • 8.
    Introdu¸˜o de umadesigualdade - exemplo ca Quadro dual vi´vel, de partida para o Dual Simplex a x1 x2 x3 x4 x5 w= 12 0 0 2 7 0 x1 = 2 1 0 -3 2 0 x2 = 2 0 1 5 -3 0 x5 = -1 0 0 2 -1 1 Sai da base: x5 , entra na base: x4 Quadro final resultante x1 x2 x3 x4 x5 w= 5 0 0 16 0 0 x1 = 0 1 0 1 0 0 x2 = 8 0 1 -15 0 0 x4 = 1 0 0 -2 1 -1 Alexandre Salles da Cunha An´lise de Sensibilidade a
  • 9.
    Introdu¸˜o de restri¸˜ode igualdade ca ca ca ′ Adicionamos a restri¸˜o am+1 x = bm+1 , violada pela solu¸˜o ´tima do PL ca o anterior. Novo dual max p ′ b + pm+1 bm+1 p ′ A + pm+1 am+1 ≤ c ′ Se p ∗ denota a solu¸˜o b´sica ´tima do dual anterior, (p ∗ , 0) ´ uma ca a o e solu¸˜o vi´vel para o novo dual. ca a Sendo p ∗ b´sica, temos que m das restri¸˜es duais p ′ A ≤ c ′ s˜o a co a linearmente independentes e ativas. Entretanto, para o novo ponto dual (p ∗ , 0), n˜o temos a garantia de a ′A + p ′ que m + 1 restri¸˜es duais li dentre p co m+1 am+1 ≤ c ser˜o a justas. Assim sendo, n˜o podemos garantir que (p a ∗ , 0) ´ uma solu¸˜o e ca b´sica para o novo poliedro dual. a Alexandre Salles da Cunha An´lise de Sensibilidade a
  • 10.
    Introdu¸˜o de restri¸˜ode igualdade ca ca Assumimos que am+1 x ∗ > bm+1 e M suficientemente grande e ′ introduzimos o PL auxiliar: min c ′ + Mxn+1 Ax = b ′ am+1 x − xn+1 = bm+1 x ≥ 0, xn+1 ≥ 0 Uma base inicial vi´vel para o PL acima ´ obtida usando-se as a e colunas b´sicas que definiem x ∗ e a coluna associada a xn+1 . A a B 0 matriz b´sica resultante B = a ´ vi´vel para o PL auxiliar. e a a′ −1 Por este motivo, reotimizamos com o Simplex Primal aplicado partindo da base vi´vel B. a Se na solu¸˜o do PL otimizado, M for suficientemente grande e o ca programa for vi´vel, teremos xn+1 = 0. a Alexandre Salles da Cunha An´lise de Sensibilidade a
  • 11.
    Modifica¸˜es no vetorde fatores b co Desejamos avaliar as modifica¸˜es implicadas por alterar b para b + δei : co Se B −1 (b + δei ) ≥ 0, a otimalidade da solu¸˜o b´sica anterior ´ ca a e garantida (nada mudou no dual). Avaliando condi¸˜es para B −1 (b + δei ) ≥ 0 co Seja g = (β1i , β2i , . . . , βmi ) a i -´sima coluna de B −1 . e Ent˜o B −1 (b + δei ) ≥ 0 implica que: a xB + δg ≥ 0 ou xB(j) + δβji ≥ 0 j = 1, . . . , m. Equivalentemente: xB(j ) ◮ δ≥− βji , se βji > 0 xB(j ◮ δ≤ − βji ) , se βji < 0 Alexandre Salles da Cunha An´lise de Sensibilidade a
  • 12.
    Modifica¸˜es no vetorde fatores b - exemplo co ´ Vamos considerar modificar b1 para b1 + δ no Tableau Otimo dado por: x1 x2 x3 x4 w= 12 0 0 2 7 x1 = 2 1 0 -3 2 x2 = 2 0 1 5 -3 Observe que g = (−3 5) e ent˜o temos: a x1 = 2 − 3δ ≥ 0 → δ ≤ 2 . 3 x2 = 2 + 5δ ≥ 0 → δ ≥ − 2 5 Alexandre Salles da Cunha An´lise de Sensibilidade a
  • 13.
    Modifica¸˜es no vetorde custos c co Vamos considerar as implica¸˜es decorrentes de modificar cj para cj + δ, o co custo de uma vari´vel n˜o b´sica j: a a a A modifica¸˜o n˜o afeta a viabilidade primal, apenas a viabilidade ca a dual (otimalidade dual). Se cj + δ − cB B −1 Aj ≥ 0 ou seja se δ ≥ −c j a base anterior continua o ´tima. Caso esta condi¸˜o n˜o se verifique, aplicamos o primal ca a simplex, introduzindo a vari´vel xj na base. a Alexandre Salles da Cunha An´lise de Sensibilidade a
  • 14.
    Modifica¸˜es no custode uma vari´vel b´sica co a a Vamos considerar as implica¸˜es decorrentes de modificar cj para co cj + δ, o custo de uma vari´vel b´sica j. a a Vamos assumir que j seja a vari´vel b´sica associada ` l −´sima linha a a a e do Tableau, isto ´ j = B(l ) e ent˜o cB = cB + δel . e a Temos que assegurar que (cB + δel )B −1 Ai ≤ ci , ∀i = j, uma vez que todos os custos reduzidos, exceto c j s˜o afetados pela modifica¸˜o. a ca Definindo qli como a l -´sima entrada do vetor B −1 Ai temos que e δqli ≤ c i , ∀i = j. Alexandre Salles da Cunha An´lise de Sensibilidade a
  • 15.
    Exemplo - modifica¸˜esnos custos co Para o exemplo anterior: x1 x2 x3 x4 w= 12 0 0 2 7 x1 = 2 1 0 -3 2 x2 = 2 0 1 5 -3 Modifica¸˜es admiss´ co ıveis (que ainda preservam a otimalidade da base atual) nas vari´veis: a N˜o b´sicas: a a ◮ δ3 ≥ −c 3 = −2 ◮ δ4 ≥ −c 4 = −7 B´sicas: adicionando δ1 a c1 , temos para j = 1, B(1) = 1, a q12 = 0, q13 = −3, q14 = 2. ◮ δ1 q12 ≤ c2 , triv. satisfeita. 2 ◮ δ1 q13 ≤ c3 → δ1 ≥ − 3 7 ◮ δ1 q14 ≤ c4 → δ1 ≥ 2 Alexandre Salles da Cunha An´lise de Sensibilidade a
  • 16.
    Mudan¸as no vetortecnol´gico Aj c o Caso 1: j ´ uma vari´vel n˜o b´sica: e a a a A viabilidade da base ´tima (em rela¸˜o ao primal) n˜o ´ afetada. o ca a e ´ E necess´rio verificar se a otimalidade (viab. dual) ´ afetada, atrav´s a e e da n˜o negatividade do custo reduzido c j . a Vamos considerar que a entrada aij de A foi alterada para aij + δ. Ent˜o precisamos garantir que cj − p ′ (Aj + δei ) ≥ 0 ou a equivalentemente c j − δpi ≥ 0, onde p ′ = cB B −1 . ′ Caso a condi¸˜o acima seja violada, j deve entrar na base (Primal ca Simplex). Alexandre Salles da Cunha An´lise de Sensibilidade a
  • 17.
    Mudan¸as no vetortecnol´gico Aj c o Caso 2: j ´ uma vari´vel b´sica: e a a A viabilidade da base ´tima pode ser afetada, tanto no primal quanto o no dual. Assumindo que aij seja alterado para aij + δ, o conjunto de valores admiss´ıveis para a varia¸˜o resultar ainda em uma base ´tima ´ um ca o e intervalo (assim como nos casos anteriores). Assumindo solu¸˜o primal e dual ´timas n˜o dengeradas dadas por ca o a x ∗ , p, se a coluna Aj for modificada para Aj + δei temos que: c ′ x(δ) = c ′ x ∗ − δxj∗ pi + O(δ2 ) Interpreta¸˜o em termos do problema da dieta: se aij aumenta em δ, ca ganhamos de gra¸a, δ unidades do nutriente i por unidade do c alimento j. Uma vez que pi denota o custo marginal do nutriente i , δpi xj∗ denota a redu¸˜o de custo esperada. ca Alexandre Salles da Cunha An´lise de Sensibilidade a
  • 18.
    Dependˆncia da otimalidadeem fun¸˜o de b e ca Reescrevendo a regi˜o de viabilidade primal para deixar expl´ a ıcita a dependˆncia do vetor b, temos que e P(b) = {x : Ax = b, x ≥ 0} Vamos definir S = {b : P(b) = ∅}. Observe ent˜o que S pode ser reescrito como S = {Ax : x ≥ 0} que ´ a e um conjunto convexo. Para qualquer vetor b ∈ S, vamos redefinir o custo ´timo do o Problema primal como: F (b) = minx∈P(b) c ′ x Alexandre Salles da Cunha An´lise de Sensibilidade a
  • 19.
    Dependˆncia da otimalidadeem fun¸˜o de b e ca Vamos assumir que o espa¸o dual p ′ A ≤ c ′ seja n˜o vazio. c a Por dualidade, temos que F (b) > ∞, ∀b ∈ S, isto ´, o problema e primal admite ´timo finito para todo b. o Vamos tentar compreender a estrutura da fun¸˜o F (b), b ∈ S. Para ca tanto, vamos nos fixar em um determinado b ∗ ∈ S. Vamos supor que o objetivo ´timo F (b ∗ ) ´ dada por uma base ´tima o e o B associada a uma solu¸˜o b´sica xB = B −1 b ∗ n˜o degenerada e que ca a a o correspondente vetor de custos reduzidos seja n˜o negativo. a Alexandre Salles da Cunha An´lise de Sensibilidade a
  • 20.
    Dependˆncia da otimalidadeem fun¸˜o de b e ca Sendo n˜o denenerada, podemos modificar b ∗ para b e desde que a b ∗ − b seja suficientemente pequena B −1 b ≥ 0 ser´ uma solu¸˜o a ca b´sica vi´vel ´tima para o problema perturbado. a a o Logo, para b suficientemente pr´ximo de b ∗ , F (b) = cB B −1 b = p ′ b. o ′ Isto ´, nas vizinhan¸as de b ∗ , F (b) ´ uma fun¸˜o linear de b e seu e c e ca gradiente ´ dado por p. e Teorema O custo ´timo F (b) ´ uma fun¸˜o convexa de b no conjunto S. o e ca Alexandre Salles da Cunha An´lise de Sensibilidade a
  • 21.
    Estrutura de F(b) Teorema O custo ´timo F (b) ´ uma fun¸˜o convexa de b no conjunto S. o e ca Prova Tomemos b 1 , b 2 ∈ S e seja x i : i = 1, 2 as correspondentes solu¸˜es co que minimizam F (b 1 ), F (b 2 ), respectivamente. Tome um escalar λ ∈ [0, 1] e defina y = λx 1 + (1 − λ)x 2 : ◮ y ∈ P(λb 1 + (1 − λ)b 2 ) → y ´ vi´vel. e a Observe que: F (λb 1 + (1 − λ)b 2 ) ≤ c ′y = λc ′ x 1 + (1 − λ)c ′ x 2 = λF (b 1 ) + (1 − λ)F (b 2 ) Alexandre Salles da Cunha An´lise de Sensibilidade a
  • 22.
    Elaborando melhor oTeorema anterior Vamos elaborar o Teorema, avaliando agora o dual abaixo, que assumimos ser vi´vel: a max p′b p′A ≤ c ′ Por dualidade, para todo b ∈ S, F (b) = ′b para algum p. Sendo A uma matriz de posto m (completo), o poliedro dual possui pelo menos um ponto extremo. Sejam p 1 , . . . , p N os pontos extremos do poliedro dual. Ent˜o temos que F (b) = maxi =1,...,N (p i )′ b, b ∈ S a Alexandre Salles da Cunha An´lise de Sensibilidade a
  • 23.
    Interpretando F (b)= maxi=1,...,N (p i )′b, b ∈ S F ´ dado pelo m´ximo de uma cole¸˜o finita de fun¸˜es lineares. e a ca co F ´ ent˜o dado pelo envelope superior de um conjunto finito de e a fun¸˜es lineares, sendo ent˜o linear por partes e convexa (prova co a alternativa do teorema anterior). Alexandre Salles da Cunha An´lise de Sensibilidade a
  • 24.
    Sobre a diferenciabilidadede F (b) em rela¸˜o a b ca Para alguns valores de b (nos pontos onde duas fun¸˜es lineares co (p i )′ b e (p j )′ b se encontram), F (b) n˜o ´ diferenci´vel. a e a Nestes pontos, o programa dual admite mais de uma solu¸˜o otima. ca ´ Para tais valores de b, qualquer combina¸˜o linear convexa de p i e p j ca fornecem um vetor dual ´timo (subgradiente de F (b) em b !). o Consequentemente, para estes valores de b a solu¸˜o primal ´ ca e degenerada. Vimos que para uma solu¸˜o primal n˜o degenerada, ca a F (b) ´ localmente linear com b, n˜o podendo ser associada a um e a ponto n˜o diferenci´vel de F (b). a a Alexandre Salles da Cunha An´lise de Sensibilidade a
  • 25.
    Comportamento de F(b) Vamos avaliar o comportamento de F (b) quando um determinado tipo de modifica c˜o ocorre em b ∗ . a Vamos verificar o que ocorre com F (b) quando, para b ∗ e d fixos, b = b ∗ + θd, para θ um escalar. Pela defini¸˜o de F (b) temos que: ca F (b(θ)) = F (θ) = maxi =1,...,N (p i )′ (b ∗ + θd), b ∗ + θd ∈ S Alexandre Salles da Cunha An´lise de Sensibilidade a
  • 26.
    O conjunto desolu¸˜es duais ´timas co o Defini¸˜o - subgradiente ca Seja F uma fun¸˜o convexa definida em um conjunto convexo S. Seja b ∗ ca um elemento de S. Dizemos que um vetor p ´ um subgradiente de F em e b ∗ se: F (b ∗ ) + p ′ (b − b ∗ ) ≤ F (b), ∀b ∈ S Para a defini¸˜o do subgradiente, n˜o ´ feita nenhuma hip´tese de ca a e o diferenciabilidade de F . Observe que o subgradiente generaliza o conceito de gradiente para uma fun¸˜o convexa diferenci´vel definida em um conjunto convexo. ca a Alexandre Salles da Cunha An´lise de Sensibilidade a
  • 27.
    Subgradientes de F(b) Quando b ∗ ´ um ponto para o qual (p i )′ b ∗ = (p j )′ b ∗ , isto ´ b ∗ define e e uma quina de F (b), existem v´rios subgradientes. a Quando F (b) ´ linear nas vizinhan¸as de b ∗ h´ apenas um e c a subgradiente. Alexandre Salles da Cunha An´lise de Sensibilidade a
  • 28.
    O conjunto desolu¸˜es duais ´timas co o Teorema Assuma que o problema min c ′ x, x ∈ P(b ∗ ) assuma custo ´timo finito. o Ent˜o o vetor p ´ uma solu¸˜o ´tima para o problema dual associado se e a e ca o somente se p for um subgradiente de F (b) em b ∗ . Prova: → Por dualidade forte temos p ′ b ∗ = F (b ∗ ). Tome b ∈ S e x ∈ P(b). Por dualidade fraca temos p ′ b ≤ c ′ x. ınimo em x temos que p ′ b ≤ F (b). Tomando o m´ Ent˜o p ′ b − p ′ b ∗ ≤ F (b) − F (b ∗ ) que implica que a F (b ∗ ) + p ′ (b − b ∗ ) ≤ F (b) e logo p ´ um subgradiente de F em b ∗ . e Alexandre Salles da Cunha An´lise de Sensibilidade a
  • 29.
    O conjunto desolu¸˜es duais ´timas co o Prova: ← Hip´tese: F (b ∗ ) + p ′ (b − b ∗ ) ≤ F (b) (p ´ subgradiente). o e Tome x ≥ 0, seja b = Ax e observe que x ∈ P(b). Por dualidade fraca F (b) ≤ c ′ x. Ent˜o temos: a p ′ Ax = p ′b ≤ F (b) − F (b ∗ ) + p ′ b ∗ ≤ c ′ x − F (b ∗ ) + p ′ b ∗ Uma vez que p ′ Ax ≤ c ′ x − F (b ∗ ) + p ′ b ∗ deve valer para qualquer x e que −F (b ∗ )p ′ b ∗ ´ um valor que independe de x, p ′ A ≤ c ′ . Logo p ′ ´ e e dual vi´vel. a Em particular para x = 0 temos F (b ∗ ) ≤ p ′ b ∗ . Por dualidade fraca temos que toda solu¸˜o dual vi´vel q satisfaz q ′ b ≤ F (b ∗ ) ≤ p ′ b ∗ . ca a ∗ ´ ´tima para o dual. Logo p e o Alexandre Salles da Cunha An´lise de Sensibilidade a
  • 30.
    Avalia¸˜o da otimalidadeem fun¸˜o de c ca ca Vamos desenvolver racioc´ an´logo para a dependˆncia da ınio a e otimalidade em fun¸˜o de modifica¸˜es no vetor de custos c. ca co Manteremos A e b fixos e perturbaremos c. Para tanto, vamos considerar o espa¸o de viabiliade dual p ′ A ≤ c ′ . c Vamos definir Q(c) = {p : p ′ A ≤ c ′ } e T = {c : Q(c) = ∅}. Dados c 1 , c 2 ∈ T , existem p 1 , p 2 (respectivamente) tais que (p i )′ A ≤ c ′ . Para qualquer escalar λ ∈ [0, 1], temos (λ(p 1 )′ + (1 − λ)(p 2 )′ )A ≤ λ(c 1 )′ + (1 − λ)(c 2 )′ e portanto λ(p 1 )′ + (1 − λ)(p 2 )′ ∈ T . Consequentemente T ´ convexo. e Alexandre Salles da Cunha An´lise de Sensibilidade a
  • 31.
    Avalia¸˜o da otimalidadeem fun¸˜o de c ca ca Tomando c ∈ T (dual invi´vel), o problema primal ´ ilimitado. Por a e outro lado, se c ∈ T o custo primal ´ finito. e Ent˜o vamos assumir que c ∈ T e vamos denotar o custo primal a o ´timo por G (c). Vamos denotar por x 1 , . . . , x N as solu¸˜es b´sicas do poliedro co a n : Ax = b}. Assim sendo, temos que {x ∈ R+ G (c) = mini =1,...,N c ′ x i e G (c) corresponde ao envelope inferior de uma cole¸˜o de fun¸˜es ´ ca co e lineares, sendo uma fun¸˜o linear por partes concava. ca Alexandre Salles da Cunha An´lise de Sensibilidade a
  • 32.
    Avalia¸˜o da otimalidadeem fun¸˜o de c ca ca Se para um valor c ∗ o programa primal admite uma unica solu¸˜o ´ ca ´tima x i , ent˜o temos que (c ∗ )′ x i < (c ∗ )′ x j : ∀j = i . o a Para todo c suficientemente pr´ximo a c ∗ , (c ∗ )′ x i < (c ∗ )′ x j : ∀j = i o deve continuar valendo. Desta forma, para solu¸˜es primais unicas co ´ G (c) = c ∗ x i . Para o caso de solu¸˜o primal m´ltipla, o correspondente valor de c ca u deve ser induzir uma quina de G (c). Alexandre Salles da Cunha An´lise de Sensibilidade a
  • 33.
    Em s´ ıntese Teorema 1 O conjunto T de todos os valores de c para os quais o custo ´timo ´ o e finito ´ convexo. e 2 A fun¸˜o custo ´timo G (c) ´ uma fun¸˜o concava de c em T . ca o e ca 3 Se para um determinado valor c, a solu¸˜o primal ´tima ´ unica, ca o e´ ent˜o G ´ linear nas vizinhan¸as de c e seu gradiente ´ dado por x ∗ . a e c e Alexandre Salles da Cunha An´lise de Sensibilidade a