Una decisión puede mejorar el beneficio y a la vez gastar recursos que son limitados. La programación lineal organiza esas dos partes: qué queremos optimizar y qué decisiones se permiten. Con dos variables podremos dibujar la zona admisible, calcular sus esquinas y demostrar cuál es la mejor.
Si necesitas repasar:
1. Definimos lo que elegimos y la cantidad que queremos mejorar
Supongamos que elegimos x kilos de un producto A e y kilos de un producto B. Si cada kilo aporta tres y dos euros de beneficio, respectivamente, el objetivo es Z=3x+2y. Maximizar significa buscar el mayor Z entre las decisiones permitidas; minimizar buscaría el menor.
x e y son variables de decisión. Los números tres y dos son datos del modelo, con unidades euros por kilo. Lineal significa contribuciones proporcionales y aditivas: duplicar x duplica su contribución y no hay un término xy ni una potencia x². Un término constante del objetivo cambia el valor final, pero no qué decisiones ganan.
Evaluar antes de optimizar
Con Z=3x+2y, compara producir (2,1) y (1,3) kilos.
Primera decisión
3·2+2·1=8 €.Segunda
3·1+2·3=9 €.Alcance
La segunda tiene mayor objetivo, si ambas cumplen las restricciones.
Ocho y nueve euros.
Evaluar dos decisiones no demuestra todavía que alguna sea la mejor de todas.
Una constante no cambia el ganador
Si se añade un ingreso fijo de cinco euros, ¿cómo cambia la comparación?
Nuevo objetivo
Z=3x+2y+5.Dos valores
La primera decisión da trece y la segunda catorce.
Diferencias
Todas reciben el mismo cinco: no cambia su orden.
Cambia el valor óptimo en cinco euros, pero no las decisiones que lo alcanzan.
Un coste fijo o ingreso fijo no debe confundirse con un coeficiente por unidad.
2. Una capacidad se escribe con ≤; un mínimo exigido, con ≥
En el ejemplo admitimos a lo sumo cuatro kilos de cada producto y seis kilos entre ambos: x≤4, y≤4, x+y≤6.
Todas las condiciones forman parte del problema.
Cada restricción debe comparar las mismas unidades. Si A necesita dos horas por kilo y B una, una capacidad de ocho horas se escribe 2x+y≤8. Un aporte mínimo se traduce en ≥; un balance exacto, en igualdad. Por ahora las variables son reales y pueden representar cantidades divisibles.
Convertir una frase en una desigualdad
Se dispone de ocho horas: A usa dos por kilo y B una. ¿Cumple (3,2)?
Uso
2x+y horas.
Restricción
2x+y≤8.Probar la decisión
2·3+2=8: cumple y agota las horas.
Sí; la condición es 2x+y≤8.
No se escribe ≥ para expresar que no podemos gastar más de lo disponible.
Una exigencia mínima
Se exige un total de al menos cinco kilos y exactamente dos kilos de A. Modela ambas condiciones.
Total mínimo
x+y≥5.Cantidad exacta
x=2.Deducir
Entonces y≥3, junto con las condiciones originales de no negatividad.
x+y≥5 y x=2.
Una igualdad no permite escoger cualquiera de los dos lados de su recta.
3. La región factible es el cruce de todos los lados permitidos
Para elegir el lado probamos un punto que no esté en ella: (0,0) da 0≤6, por tanto ese lado es el permitido.
Factible significa que cumple todas las restricciones simultáneamente. La zona resultante es su intersección, no su unión. Es convexa: mezclar dos decisiones factibles, manteniendo proporciones entre cero y uno, conserva cada desigualdad lineal. Puede quedar una zona, un segmento, un punto o ningún punto.
Probar todas las condiciones
En la zona del dibujo, compara (4,2) y (4,3).
Primera
x≤4, y≤4 y 4+2=6: cumple todo.Segunda
Cumple las cotas individuales, pero 4+3=7>6.Conclusión
Una sola restricción incumplida basta para descartar.
(4,2) es factible; (4,3) no.
La suma total impone una condición adicional a las dos cotas individuales.
Un punto sobre la frontera no elige lado
Para y≥x, decide qué lado se permite.
El origen
Da igualdad 0=0: está en la frontera y no distingue los lados.
Otro punto
(0,1) da 1≥0 y queda por encima de y=x.Frontera
La igualdad también se admite por el signo ≥.
El semiplano sobre la recta y=x, incluyendo la recta.
Elegir un punto de prueba fuera de la frontera evita una conclusión sin información.
4. Una intersección de rectas es candidata; después comprobamos si es factible
Calculamos cruces de fronteras, incluidos los ejes de no negatividad.
Los vértices del polígono son (0,0), (4,0), (4,2), (2,4) y (0,4).
No aceptamos todos los cruces automáticamente. Una intersección puede estar fuera de otra restricción. Al listar esquinas, comprobamos todas las condiciones y evitamos duplicados; el dibujo ayuda a localizar, pero las coordenadas se calculan con ecuaciones.
Calcular una esquina
Resuelve x=4 y x+y=6 y revisa todas las condiciones del ejemplo.
Sustituir
4+y=6, luego y=2.No negatividad
Cuatro y dos son no negativos.
Otra cota
y=2≤4; las otras dos fronteras ya están en igualdad.
El cruce (4,2) sí es un vértice factible.
La esquina se obtiene de restricciones, no de elegir números cercanos al dibujo.
Rechazar un cruce exterior
Las rectas x=4 e y=4 se cortan. ¿Es esquina factible?
Cruce
(4,4).
Comprobar la suma
4+4=8>6.Descartar
Queda fuera de la zona que cumple todas las restricciones.
No es un vértice factible.
Ser cruce de dos fronteras no asegura pertenecer a la región completa.
5. Una restricción activa se agota; una redundante no cambia la zona
Si es cero, la decisión está en esa frontera: llamamos activa a esa restricción. Si es positiva, queda capacidad sin utilizar.
Una restricción redundante ya se deduce de las demás y no recorta nada adicional. Podemos conservarla en el modelo, pero no crea una nueva esquina. Activa en un punto y redundante en todo el conjunto son ideas distintas.
Qué se agota en el óptimo candidato
Calcula las holguras de x≤4, y≤4 y x+y≤6 en (4,2).
Límite de A
4−4=0: activo.Límite de B
4−2=2 kilos sin usar.Total
6−4−2=0: activo.
Se agotan la cota de A y la total; sobran dos kilos en la cota individual de B.
Un óptimo no tiene por qué agotar todos los recursos por separado.
Una condición que no aporta recorte
¿Cambia la región del ejemplo al añadir x+y≤10?
Dato anterior
Todo punto ya cumple x+y≤6.Implicación
Si la suma no supera seis, tampoco supera diez.
Conjunto
No desaparece ningún punto factible.
No cambia; la nueva restricción es redundante.
La frontera x+y=10 no genera nuevas esquinas de la región anterior.
6. Las rectas de nivel reúnen decisiones con el mismo objetivo
Para un número q fijo, 3x+2y=q es una recta de nivel. Todos sus puntos tienen objetivo q. Cambiar q desplaza esa recta en paralelo. Maximizar la mueve hacia niveles mayores mientras todavía toque la región factible.
El vector de coeficientes (3,2) señala una dirección de aumento: un desplazamiento de ese tipo aumenta el objetivo. Pero no garantiza que podamos avanzar en ella sin salir de la zona. Si ambos coeficientes fueran cero, el objetivo sería constante y cualquier punto factible empataría.
Dibujar dos niveles
Encuentra dos puntos de 3x+2y=6 y dos de 3x+2y=12.
Nivel seis
Con y=0 sale x=2; con x=0 sale y=3.Nivel doce
Interceptos (4,0) y (0,6).
Forma
Las dos rectas tienen pendiente −3/2, pero distinto nivel.
Niveles paralelos por (2,0),(0,3) y por (4,0),(0,6).
Un punto de una recta de nivel puede estar fuera de la región factible; nivel no equivale a permiso.
Objetivo constante
En una región factible no vacía, maximiza Z=0x+0y+7.
Evaluar
Todas las decisiones dan siete.
Comparar
Ninguna mejora a otra.
Resultado
Todos los puntos factibles alcanzan máximo y mínimo siete.
Cualquier decisión factible es óptima.
La condición de región no vacía sigue siendo necesaria para que exista una decisión.
7. En un polígono cerrado y acotado basta comparar sus vértices
Un objetivo lineal alcanza máximo y mínimo en un polígono factible no vacío, cerrado y acotado. Al menos un vértice alcanza cada extremo. La razón es que cualquier punto del polígono es una mezcla de sus vértices, y el objetivo de la mezcla es la misma mezcla de sus valores: no supera al mayor ni baja del menor.
Calculamos el objetivo en todos los vértices y comparamos. Puede haber una sola esquina óptima o una arista completa de empate. Si dos extremos de una arista comparten el mejor valor, cualquier mezcla entre ambos conserva ese valor.
| Vértice | Cuenta | Z |
|---|---|---|
| (0,0) | 0+0 | 0 |
| (4,0) | 12+0 | 12 |
| (4,2) | 12+4 | 16 |
| (2,4) | 6+8 | 14 |
| (0,4) | 0+8 | 8 |
Comparación completa del ejemplo
Maximiza Z=3x+2y en el polígono del dibujo.
Vértices
(0,0),(4,0),(4,2),(2,4),(0,4).
Valores
Cero, doce, dieciséis, catorce y ocho, respectivamente.
Elegir
El mayor es dieciséis, en (4,2).
Cuatro kilos de A y dos de B, beneficio máximo 16 €.
Se comparan todos los vértices factibles; el mínimo en esta región sería cero en el origen.
Un borde completo empata
En la misma región maximiza Z=x+y.
Cota
La restricción exige x+y≤6.Dos extremos
(4,2) y (2,4) dan seis.
Todo el borde
Entre esos extremos, cada punto tiene suma seis y sigue cumpliendo las demás condiciones.
Cualquier punto del segmento de (4,2) a (2,4) es óptimo.
Por ejemplo (3,3) también gana, aunque no sea vértice.
8. No siempre hay una decisión óptima: revisamos existencia y cotas
Si las restricciones se contradicen, no hay región factible ni óptimo. Si la región es no acotada, el objetivo puede seguir teniendo un mínimo o un máximo: depende de cómo cambie al avanzar por sus direcciones permitidas.
Con desigualdades estrictas puede existir una cota a la que nos acercamos sin alcanzarla. El método elemental de evaluar vértices necesita estas comprobaciones; no basta buscar el punto que parece más alto en una ventana finita.
Ningún punto puede cumplir
Estudia x≥3 y x≤1.
Primera
La misma x debería ser al menos tres.
Segunda
También a lo sumo uno.
Intersección
Ningún real cumple ambas.
Región vacía, sin óptimo.
No se elige la restricción que conviene y se ignora la otra.
Región sin cota, dos preguntas diferentes
Con x,y≥0, maximiza y minimiza x+y.
Mínimo
La suma es al menos cero y el origen lo alcanza.
Máximo
La familia (t,0), con t≥0, es factible y tiene objetivo t.Sin cota superior
t puede superar cualquier número.
Mínimo cero; no hay máximo finito.
La misma región no acotada permite un extremo en un sentido y crecimiento ilimitado en otro.
Acercarse al uno no es alcanzarlo
Maximiza x con 0≤x<1.
Cota
Toda decisión da menos de uno.
Mejorar cualquier candidata
Si x<1, (x+1)/2 sigue siendo menor que uno y es mayor que x.
Conclusión
No hay decisión de valor máximo.
Supremo uno, sin máximo.
Cerrar artificialmente el extremo añadiría una decisión que el enunciado excluye.
9. Una cota algebraica certifica el resultado; las cantidades enteras requieren otro control
Una prueba de optimalidad tiene dos partes: ninguna decisión puede superar cierta cota y alguna decisión factible la alcanza. La gráfica orienta, pero esta combinación demuestra el resultado sin depender de su precisión.
El método gráfico desarrolla aquí dos variables reales. En más dimensiones se usan otros algoritmos, como símplex o punto interior. Si las decisiones deben ser enteras, añadimos esa condición: redondear una solución continua puede incumplir restricciones o perder el mejor resultado entero.
Certificar el beneficio sin fiarse de una escala
Prueba el máximo dieciséis del ejemplo.
Reescribir
3x+2y=2(x+y)+x.Aplicar cotas
x+y≤6 y x≤4 implican Z≤2·6+4=16.Alcanzar
(4,2) cumple todo y da dieciséis.
El máximo es exactamente dieciséis.
No basta probar una cota: el punto que la alcanza completa la demostración.
Redondear hacia abajo puede perder el mejor entero
Maximiza 2x+y con x,y≥0, x+y≤2 y 3x+y≤5; compara decisiones reales y enteras.
Óptimo real
Sumando la mitad de cada restricción: 2x+y≤7/2.(3/2,1/2) alcanza 7/2.
Redondear hacia abajo
(1,0) da dos.
Otro entero mejor
(1,1) cumple ambas restricciones y da tres.
Mejor entero
x entero solo puede ser cero o uno.
Con x=0, y≤2 da objetivo≤2; con x=1, y≤1 da objetivo≤3.
El mejor entero es (1,1), valor tres; el redondeo hacia abajo no lo encontró.
El óptimo real sigue siendo una cota superior útil, pero no una solución entera admisible.
Ahora lo resolvemos de principio a fin.
EJEMPLO RESUELTO 1
Un recurso
Maximiza Z=3x+2y con x≥0,y≥0,x+y≤4.
Región
x e y no negativos con x+y≤4 forman el triángulo de vértices (0,0),(4,0),(0,4).Objetivo en esquinas
Z vale cero, doce y ocho.
Mejor candidato
(4,0), con doce.
Cota independiente
3x+2y=3(x+y)−y≤12 porque x+y≤4 e y≥0.Alcanzar y responder
(4,0) es factible y alcanza doce: máximo demostrado.
Máximo 12 en (4,0).
Cada unidad de recurso produce más objetivo al asignarse a x.
EJEMPLO RESUELTO 2
Dos restricciones
Maximiza Z=x+y con 0≤x≤3 y 0≤y≤2.
Interpretar
Las dos cotas forman un rectángulo cerrado, con x entre cero y tres e y entre cero y dos.
Cota del objetivo
x+y≤3+2=5.Alcanzar
La decisión (3,2) está permitida y su suma es cinco.
Conclusión
Máximo cinco en (3,2); ambas cotas superiores se agotan.
Máximo 5 en (3,2).
Ninguna variable puede superar su cota.
Los símbolos que hemos usado
- x,y
- Variables de decisión cuyos valores se eligen.
- Z=ax+by
- Función objetivo lineal con coeficientes constantes a y b.
- Región factible
- Conjunto de puntos que cumplen simultáneamente todas las restricciones.
- Vértice
- Punto extremo de la región, que no es mezcla interior de otros dos puntos factibles distintos.
- Holgura
- Diferencia entre un límite superior y el recurso usado.
- Restricción activa
- Restricción que se cumple con igualdad en el punto estudiado.
Ahora te toca a ti.
Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.
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