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OPTIMIZACIÓN Y SIMULACIÓN
PARA LA EMPRESA
Tema 4
Optimización no Lineal
ORGANIZACIÓN DEL TEMA
•
Sesiones:
•
El caso sin restricciones: formulación, ejemplos
•
Condiciones de optimalidad, métodos
•
Caso con restricciones: ejemplo, condiciones de
optimalidad, solución
PROBLEMAS SIN
RESTRICCIONES
•
Función objetivo no lineal, pero sin restricciones en las variables,
minx f(x)
•
Soluciones locales: no se pueden mejorar en entorno de solución
•
Soluciones globales: las mejores de todas las soluciones locales
OPTIMIZACIÓN SIN
RESTRICCIONES
•
Escenario ideal: conseguir una solución global
•
•
En general, no resulta posible calcular una solución local en tiempos razonables
Dos alternativas:
•
Conformarnos con una solución local rápida
•
Intentar conseguir la solución global con un heurístico (aproximación)
•
•
En general, los solvers eficientes de optimización encuentran soluciones locales
•
•
Si la dimensión del problema es moderada, se puede intentar buscar una
solución global de forma determinista
En algunos casos también encuentran soluciones globales:
Convexidad: soluciones locales = soluciones globales
OPTIMIZACIÓN SIN
RESTRICCIONES
•
Algunos solvers avanzados usan heurísticos para intentar
conseguir soluciones globales, bajo condiciones generales
•
•
Sin exigir diferenciabilidad, convexidad, etc.
En la práctica:
•
Si maximizamos y la función objetivo es cóncava, se
puede conseguir el óptimo en un tiempo razonable
•
Si minimizamos y la función objetivo es convexa, se
puede conseguir el óptimo en un tiempo razonable
EJEMPLO 1: MARKETING EN
MÓVILES
•
Descripción:
•
•
Una compañía quiere vender un nuevo móvil de gama alta capaz de competir en el
mercado actual
•
Ha invertido un millón de euros para diseñar y desarrollar el producto
•
El éxito final dependerá de la inversión que se haga en marketing y del precio
final del móvil en el mercado
Dos decisiones importantes:
•
a : cantidad a invertir en la campaña de marketing
•
p : precio de venta al público del móvil
EJEMPLO 1: MARKETING EN
MÓVILES
•
Descripción:
•
El departamento de marketing estima las ventas del móvil en
el próximo año como:
•
•
El coste de producción del móvil es 100 euros/unidad
¿Cómo puede la compañía incrementar su beneficio el
próximo año con la venta del nuevo móvil?
EJEMPLO 1: MARKETING EN
MÓVILES
•
Modelo:
•
Beneficios por ventas:
•
Coste de producción total:
•
Coste de diseño y desarrollo:
•
Costes de marketing:
•
Beneficio total:
EJEMPLO 1: MARKETING EN
MÓVILES
•
¿Estrategia óptima?
•
•
•
•
Maximizar beneficio
¿Restricciones?
•
Las variables han de ser no negativas
•
¿Es necesario incluir estas restricciones?
Solución inicial:
•
¿Qué ocurre si los valores iniciales son negativos?
•
¿Qué ocurre si son positivos y grandes?
•
¿Y si son positivos y pequeños?
¿El problema es convexo?
•
¿El problema tiene varias soluciones locales?
•
¿Podemos conseguir la solución global?
EJEMPLO 2:
AJUSTE DE DATOS
•
Problemas de regresión
•
Como ajustar un modelo a un conjunto dado de datos
•
Distintos procedimientos en función de criterio de ajuste
•
Mínimos cuadrados:
•
Mínimos cuadrados no lineales:
•
Mínima desviación absoluta:
EJEMPLO 2:
AJUSTE DE DATOS
•
Modelo concreto: regresión logística o exponencial
•
•
Analizar relación entre tasa de crecimiento de una persona y su
edad
•
Esta relación es no lineal
•
El crecimiento es alto en los primeros años y luego estable
Posible modelo
tasa =
0
+
1
exp(
log(tasa) =
0
+
1
edad + error
2
edad) + error
CONDICIONES DE OPTIMALIDAD
(SIN RESTRICCIONES)
•
Cuando resolvemos problemas prácticos:
•
Hay veces que no logramos encontrar una solución
•
•
Incluso aunque encontremos una solución, puede ser de poca ayuda para obtener
mejores soluciones
•
•
Necesitamos buenos puntos iniciales (que pueden ser decisiones actuales)
Intentar resolver el problema con muchos puntos iniciales
¿Cómo podemos obtener mejor información sobre las soluciones?
•
Propiedades teóricas
•
Analizar las condiciones que se satisfacen en la solución
•
Chequear si realmente se satisfacen
•
O usarlas para encontrar candidatos a solución
CONDICIONES DE OPTIMALIDAD
(SIN RESTRICCIONES)
•
Problema de optimización sin restricciones:
•
Si queremos maximizar, entonces
•
Un punto (decisión), x*, es solución local, si no hay una mejor
solución cerca
•
Un punto (decisión), x*, es solución global, si es la mejor en general
CONDICIONES DE OPTIMALIDAD
(SIN RESTRICCIONES)
•
Condiciones necesarias
•
Caso univariante:
•
Caso multivariante
•
Condiciones de primer orden:
•
•
Si x* es un mínimo local, entonces
Condiciones de segundo orden:
•
Si x* es un mínimo local, entonces
CONDICIONES DE OPTIMALIDAD
(SIN RESTRICCIONES)
•
Condiciones suficientes
•
Caso univariante:
•
Caso multivariante
•
Si se satisfacen las siguientes condiciones en x*, entonces es un mínimo
local:
CONDICIONES DE OPTIMALIDAD
(SIN RESTRICCIONES)
•
Ejemplo
•
Para el siguiente problema sin restricciones:
•
Condiciones necesarias:
•
Existen dos puntos estacionarios (candidatos a mínimo):
CONDICIONES DE OPTIMALIDAD
(SIN RESTRICCIONES)
•
Ejemplo
•
Condición suficiente:
•
Por tanto:
•
•
2
∇ f(xb) es definida positiva
2
xb mínimo local
∇ f(xa) es indefinida, por lo que xa no es ni mínimo ni
máximo local
EJEMPLO 1: MARKETING EN
MÓVILES
•
Compañía que desea comercializar nuevo móvil de última generación
•
Modelo de optimización:
•
Condiciones de primer orden:
•
•
Una solución: a = 106003.245 , p = 230.233
Condición de segundo orden: matriz hessiana
CONDICIONES DE
OPTIMALIDAD
•
¿Qué ocurre si un mínimo no satisface las condiciones suficientes?
2
•
Para todas estas funciones, ∇f(0) = ∇ f(0) = 0
•
Por tanto, x = 0 es candidato a óptimo en los tres casos
•
•
Pero f2 tiene un mínimo local en x = 0
• f1
tiene un punto de silla en 0
• f3
tiene un máximo local en 0
Este tipo de puntos se llaman estacionarios o singulares
CONDICIONES DE
OPTIMALIDAD
•
Resumen
•
Un punto es estacionario si ∇f(x*) = 0
•
Para estos puntos:
•
•
•
•
2
∇ f(x*) ≻ 0
2
∇ f(x*) ≺ 0
2
mínimo
máximo
∇ f(x*) indefinida
2
∇ f(x*) singular
punto de silla
cualquier caso
MÉTODO DE NEWTON
•
Cómo calcular una solución local:
•
La mayoría de algoritmos son iterativos y de descenso en la f.o.
x 0 , x1 , x2 , . . .
tales que
f (xk+1 ) < f (xk ), k = 0, 1, 2, . . .
•
El paso importante es calcular la dirección de movimiento,
pk , que nos lleva de xk a xk+1
•
Método de Newton. Las iteraciones son:
PROBLEMAS CON
RESTRICCIONES
•
Ahora el problema es
•
Tanto la función objetivo como las restricciones pueden ser funciones no lineales
•
Ahora las soluciones pueden tener propiedades distintas (respecto al caso
sin restricciones)
•
Solución local: mejor solución en un entorno dentro de la región factible
•
Solución global: la mejor solución de la región factible
PROBLEMAS CON
RESTRICCIONES
•
Propiedades de la solución:
•
Diferencias respecto al caso sin restricciones
•
•
Diferencias respecto a PL
•
•
Identificar las restricciones activas en la solución es tan importante como mejorar el objetivo
Las soluciones no tienen por qué estar en vértices
Cómo encontrar un óptimo local
•
Transformar el problema en uno sin restricciones (o solo restricciones de igualdad)
•
Encontrar las restricciones activas en la solución
•
Métodos eficientes basados en ensayo-error
PROBLEMAS CON
RESTRICCIONES
•
Dificultades prácticas:
•
Soluciones locales
•
•
Si el problema no es convexo, la solución encontrada será probablemente local
•
Difícil de comprobar formalmente
•
Heurístico: ejecutar el método con muchos puntos iniciales
Problemas mal condicionados
•
En algunos casos, el objetivo o restricciones pueden no estar bien definidos
siempre (raíz cuadrada, logaritmos, etc.)
•
Podríamos añadir restricciones para evitar esos puntos, pero el algoritmo
podría generar puntos infactibles en esa región
•
Heurístico: empezar cerca de la solución
EJEMPLO 1: OPTIMIZACIÓN DE
CARTERAS
•
Descripción:
•
Tenemos n activos donde invertir una cierta cantidad de dinero
•
Sin pérdida de generalidad, esta cantidad es 1
•
La variable (aleatoria) Ri representa la rentabilidad (futura) en cada activo
•
El objetivo es encontrar los pesos xi que definen la inversión en cada activo
•
Para maximizar la rentabilidad total (a un periodo vista)
•
Y para minimizar el riesgo de la inversión
EJEMPLO 1: OPTIMIZACIÓN DE
CARTERAS
•
Modelo:
•
Queremos resolver:
•
¿Pero está bien definido ese problema?
•
Versión bien definida:
•
¿Pero es razonable?
EJEMPLO 1: OPTIMIZACIÓN DE
CARTERAS
•
Versión más razonable (modelo de Markowitz):
donde S = Var(R) y γ coeficiente aversión al riesgo
•
Este modelo permite el cálculo de la frontera eficiente
(estrategias que, dada una rentabilidad, minimizan la
varianza o riesgo)
•
Es un problema cuadrático
EJEMPLO 1: OPTIMIZACIÓN DE
CARTERAS
•
Otro modelo razonable:
donde VaRβ es el Valor en Riesgo (percentil) correspondiente
a un nivel dado 0 ≤ β ≤ 1
•
Es un problema no lineal y no convexo
•
¿Cómo calcular la solución?
•
Necesitamos algoritmos de optimización con restricciones
CASO CON RESTRICCIONES:
CONDICIONES DE OPTIMALIDAD
•
Queremos buscar soluciones para:
•
Usaremos las condiciones de optimalidad para obtener información adicional
•
Condiciones de optimalidad
rx f (x⇤ )
cI (x⇤ )
•
rx c(x⇤ )
⇤
cI (x⇤ )T
⇤
I
⇤
I
=0
estacionariedad
0 y cE (x⇤ ) = 0
factibilidad
=0
complementariedad
0
signo de multiplicadores
Diremos que un punto x* es estacionario si satisface estas condiciones
para algún vector λ*
CASO CON RESTRICCIONES:
CONDICIONES DE OPTIMALIDAD
•
Las condiciones anteriores son necesarias, pero no suficientes
•
Condiciones de optimalidad de primer orden (sin derivadas segundas)
•
•
•
El vector λ se conoce como el vector de multiplicadores de Lagrange
Parte de las condiciones de Karush-Kuhn-Tucker (KKT)
Condiciones de segundo orden:
L(x, ) ⌘ f (x)
Z
X
j cj (x)
j
matriz con columnas que forman una base de
{d : rĉ(x)d = 0}
donde ĉ denota las restricciones activas, ĉ(x) = 0
Z T r2xx L(x, )Z ⌫ 0
CASO CON RESTRICCIONES:
CONDICIONES DE OPTIMALIDAD
•
Ejemplo:
•
Comprobar que el punto (1,0) satisface las
condiciones necesarias
CASO CON RESTRICCIONES:
CONDICIONES DE OPTIMALIDAD
•
El vector de multiplicadores λ* = (3/4,1/4,0,0) satisface