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24 mar 2014

INVOP2 Programación Dinámica Probabilística

PROBLEMA 1
Considere un sistema electrónico con cuatro componentes, cada uno de los cuales debe trabajar para que el sistema funcione. La confiabilidad del sistema se puede mejorar si se instalan varias unidades paralelas en uno o más de los componentes. La siguiente tabla muestra la probabilidad de que los respectivos componentes funcionen si constan de una, dos o tres unidades paralelas:

Unidades
paralelas
Probabilidad de funcionamiento
Componente 1
Componente 2
Componente 3
Componente 4
1
0.5
0.6
0.7
0.5
2
0.6
0.7
0.8
0.7
3
0.8
0.8
0.9
0.9

La probabilidad de que el sistema funcione es el producto de las probabilidades de que los componentes respectivos funcionen.

En la siguiente tabla se presenta el costo (en cientos de dólares) de instalar una, dos o tres unidades paralelas en los componentes respectivos:

Unidades
paralelas
Costo
Componente 1
Componente 2
Componente 3
Componente 4
1
1
2
1
2
2
2
4
3
3
3
3
5
4
4

Dadas las limitaciones de presupuesto, se puede gastar un máximo de $1000.

Use programación dinámica para determinar cuántas unidades paralelas instalar en cada uno de los cuatro componentes para maximizar la probabilidad de que el sistema funcione.

Solución:
xn            : número de unidades paralelas a instalar del componente n
pn(xn)      : probabilidad de que el componente n funcione si se le instala xn unidades paralelas
cn(xn)      : costo de instalar xn unidades paralelas del componente n
sn             : cientos de $ que quedan disponibles para gastar en componentes
fn(sn,xn)  =  max { pn(xn) fn+1*(sn - cn(xn))}


Etapa 4 (componente 4)
s4
f4(s4,x4)  =  p4(x4)
Solución óptima
x4 = 1
x4 = 2
x4 = 3
f4*(s4)
x4*
200
0.5
-
-
0.5
1
300
0.5
0.7
-
0.7
2
400
0.5
0.7
0.9
0.9
3
500
0.5
0.7
0.9
0.9
3
600
0.5
0.7
0.9
0.9
3

Etapa 3 (componente 3)
s3
f3(s3,x3)  =  p3(x3) f4*(s3 - c3(x3))}
Solución óptima
x3 = 1
x3 = 2
x3 = 3
f3*(s3)
x3*
300
(0.7)(0.5)=0.35
-
-
0.35
1
400
(0.7)(0.7)=0.49
-
-
0.49
1
500
(0.7)(0.9)=0.63
(0.8)(0.5)=0.40
-
0.63
1
600
(0.7)(0.9)=0.63
(0.8)(0.7)=0.56
(0.9)(0.5)=0.45
0.63
1
700
(0.7)(0.9)=0.63
(0.8)(0.9)=0.72
(0.9)(0.7)=0.63
0.72
2

Etapa 2 (componente 2)
s2
f2(s2,x2)  =  p2(x2) f3*(s2 - c2(x2))}
Solución óptima
x2 = 1
x2 = 2
x2 = 3
f2*(s2)
x2*
500
(0.6)(0.35)=0.210
-
-
0.210
1
600
(0.6)(0.49)=0.294
-
-
0.294
1
700
(0.6)(0.63)=0.378
(0.7)(0.35)=0.245
-
0.378
1
800
(0.6)(0.63)=0.378
(0.7)(0.49)=0.343
(0.8)(0.35)=0.280
0.378
1
900
(0.6)(0.72)=0.432
(0.7)(0.63)=0.441
(0.8)(0.49)=0.392
0.441
2

Etapa 1 (componente 1)
s1
f1(s1,x1)  =  p1(x1) f2*(s1 - c1(x1))}
Solución óptima
x1 = 1
x1 = 2
x1 = 3
f1*(s1)
x1*
1000
(0.5)(0.441)=0.2205
(0.6)(0.378)=0.2268
(0.8)(0.378)=0.3024
0.3024
3

El sistema tiene un 30.24% de probabilidad que funcione.
Solución óptima:                x1=3, x2=1, x3=1, x4=3
                               De los $1000 al colocar 3 unidades del componente 1 (costo=$300), me quedarían $700
                               De los $700 al colocar 1 unidad del componente 2 (costo=$200), me quedarían $500
                               De los $500 al colocar 1 unidad del componente 3 (costo=$100), me quedarían $400
                               De los $400 al colocar 3 unidades del componente 4 (costo=$400), no quedaría dinero.

PROBLEMA 2
Imagine que tiene $5000 para invertir y tendrá la oportunidad de hacerlo en cualquiera de dos inversiones (A o B) al principio de cada uno de los próximos tres años. Existe incertidumbre respecto del rendimiento de ambas inversiones. Si invierte en A, puede perder todo el dinero o (con probabilidad más alta) obtener $10000 (una ganancia de $5000) al final del año. Si  invierte en B, puede obtener los mismos $5000 que invierte o (con probabilidad más baja) $10000 al terminar el año. Las probabilidades para que sucedan estos eventos son las siguientes:
Inversión
Cantidad
Obtenida ($)
Probabilidad
A
0
0.3
10000
0.7
B
5000
0.9
10000
0.1
Se le permite hacer (a lo sumo) una inversión al año y sólo puede invertir $5000 cada vez (cualquier cantidad adicional de dinero acumulada es inútil). Utilice programación dinámica para encontrar la política de inversión que maximice la cantidad de dinero esperada que tendrá después de los tres años.

Solución:
Objetivo: maximizar cantidad acumulada (esperada) después de los 3 años
Monto a invertir: solamente $5000
Estados: $ acumulados (no necesariamente se invierte todo)



Etapa 3
s3

Solución óptima
A
B
f3*(s3)
x3*
0
0
0
0
0
5000
(0.3)(0)+(0.7)(10000)=7000
(0.9)(5000)+(0.1)(10000)=5500
7000
A
10000
5000+(0.3)(0)+(0.7)(10000)=12000
5000+(0.9)(5000)+(0.1)(10000)=10500
12000
A
15000
10000+(0.3)(0)+(0.7)(10000)=17000
10000+(0.9)(5000)+(0.1)(10000)=15500
17000
A

Etapa 2
s2

Solución óptima
A
B
f2*(s2)
x2*
0
0
0
0
0
5000
(0.3)(0)+(0.7)(12000)=8400
(0.9)(7000)+(0.1)(12000)=7500
8400
A
10000
(0.3)(7000)+(0.7)(17000)=14000
(0.9)(12000)+(0.1)(17000)=12500
14000
A

Etapa 1
s1

Solución óptima
A
B
f1*(s1)
x1*
5000
(0.3)(0)+(0.7)(14000)=9800
(0.9)(8400)+(0.1)(14000)=8960
9800
A

Recuerda:
La cantidad a invertir en cada año es de $5000.
El valor de $9800 es una cantidad referencial que sirve para tomar la decisión de inversión. No es la cantidad de dinero real que se puede obtener.

PROBLEMA 3
Una empresa ha recibido el encargo de fabricar un artículo, que, por las características exigidas por el cliente deberá pasar controles de calidad altos. Esto hace que la empresa estime que la probabilidad de que un artículo producido sea considerado bueno es 2/3 (66.6667%) y de 1/3 (33.3333%) que sea considerado malo sin posibilidad de recuperarlo o arreglarlo. El plazo que tiene la empresa para obtener al menos un artículo bueno es de 3 días, y la producción del artículo implica ocupar el día en hacer andar la línea de producción, fabricarlos y finalmente ver si salieron buenos; por lo que la empresa tiene 3 intentos de fabricación para obtener el artículo bueno.

Por contrato con el cliente se acuerda que si la empresa no obtiene el artículo bueno en los 3 días, en los 3 intentos, la empresa deberá pagar una multa de $200 al cliente por indemnización o pérdida de tiempo.

También la empresa sabe que cada día que decide elaborar ese producto incurre en un costo fijo de $20 por iniciar toda la línea de producción ese día, y tiene un costo de $5 por cada unidad que decida fabricar.

Se pide encontrar la política óptima a seguir por la empresa en cuanto a la producción de este artículo, para hacer mínimo el costo total de producción y obtener al menos un artículo de buena calidad, según lo exigido.

Solución:

Etapas: Días de producción. (3 etapas).
Estados: Número de artículos buenos que se tiene la obligación de obtener.
0 : indica que en esa etapa no se tiene la obligación de obtener un artículo bueno.
1 : indica que en esta etapa se tiene la obligación de obtener un artículo bueno.
Decisión: Cantidad de artículos que se deberán fabricar en esa etapa.

Costo por día: =  K(xi)+5xi , donde: K=0 si xi=0, y K=20 si xi>0

Para cada artículo que se produzca la probabilidad de que salga bueno es 2/3, y que salga malo es 1/3 (datos del problema). Por lo que, si produce 2 artículos la probabilidad de que los 2 salgan malos es: (1/3)*(1/3) = (1/3)2. Si decide producir 3 artículos, la probabilidad de que los 3 salgan malos es de (1/3)3, Generalizando, si se decide fabricar xi artículos, entonces la probabilidad de que todos salgan malos es: (1/3)xi

Función recursiva:
Para cualquiera de las etapas contendrá lo que representa el costo de esa etapa más el costo probable de la etapa siguiente si todos hubiesen salido malos, y más el costo probable de la etapa siguiente si no todos hubiesen salidos malos (al menos uno salió bueno). Y en la etapa n-ésima tendremos el estado 0 y el estado 1. Tomemos el estado 1 para f.

f_n (1,x_n )=K(x_n )+5x_n+(1⁄3)^(x_n ) f_(n+1) (1)+(1-(1⁄3)^(x_n ))f_(n+1) (0)

donde:
K(xn)                      : es el costo de producción fijo de $0 o de $200, según ese día produzca artículos o no.
5xn                          : representa el costo de $5 por unidad que se decida producir.
(1/3)xn                    : representa la probabilidad de que los xn artículos salgan malos.
fn+1(1)                                    : es el costo que se tendrá en la etapa siguiente, si se llega a ella con la obligación de
  obtener un artículo bueno. Este valor es: f*n+1(1).
(1/3)xnfn+1(1)          : es el costo probable desde la etapa siguiente en adelante, si todos los de esta etapa
                  salen malos.
(1-(1/3)xn)              : es la probabilidad de que no todos los xn artículos salgan malos; alguno sale bueno.
fn+1(0)                     : es el costo en que se incurrirá desde la etapa siguiente, si se llega a ella al estado 0, es
                                 decir sin la necesidad de producir un artículo bueno, porque ya se obtuvo. Es f*n+1(0)
(1-(1/3)xn)fn+1(0)   : es el costo probable desde la etapa siguiente, si en esta etapa sale alguno de los
  artículos bueno.
En el problema aquí dado, se tiene que f*n+1(0) es cero, porque es cero el costo más bajo si no se tiene la obligación de producir un artículo bueno, en cualquiera de las etapas. La etapa 1 tiene como estado inicial: 1; es decir, en la etapa 1 se tiene la obligatoriedad de obtener un artículo bueno.

ETAPA 3
s3
f3(s3,x3) = K(x3)+5x3
Solución óptima
x3=0
x3=1
x3=2
x3=3
x3=4
x3=5
f*3
x*3
0
0
-
-
-
-
-
0
0
1
200
91.6666667
52.2222222
42.4074074
42.4691358
45.8230453
42.4074074
3
Detalle de los cálculos:
f3(1,0) =   0 + 5*0 + (1/3)0*200 = 200
f3(1,1) = 20 + 5*1 + (1/3)1*200 = 91.6666667
f3(1,2) = 20 + 5*2 + (1/3)2*200 = 52.2222222
f3(1,3) = 20 + 5*3 + (1/3)3*200 = 42.4074074 (el costo probable sólo se reduce hasta aquí)
f3(1,4) = 20 + 5*4 + (1/3)4*200 = 42.4691358 (no considerar)
f3(1,5) = 20 + 5*5 + (1/3)5*200 = 45.8230453 (no considerar)

ETAPA 2
s2
f2(s2,x2) = K(x2) + 5x2 + (1/3)x2f*3(1) + (1-(1/3)x2)f*3(0)
Solución óptima
x2=0
x2=1
x2=2
x2=3
x2=4
x2=5
f*2
x*2
0
0
-
-
-
-
-
0
0
1
42.4074074
39.1358025
34.7119342
36.5706447
40.5235482
45.1745161
34.7119342
2
Detalle de los cálculos:
f2(1,0) =   0 + 5*0 + (1/3)0*42.4074074 = 42.4074074
f2(1,1) = 20 + 5*1 + (1/3)1*42.4074074 = 39.1358025
f2(1,2) = 20 + 5*2 + (1/3)2*42.4074074 = 34.7119342 (el costo probable sólo se reduce hasta aquí)
f2(1,3) = 20 + 5*3 + (1/3)3*42.4074074 = 36.5706447 (no considerar)
f2(1,4) = 20 + 5*4 + (1/3)4*42.4074074 = 40.5235482 (no considerar)
f2(1,5) = 20 + 5*5 + (1/3)4*42.4074074 = 45.1745161 (no considerar)

ETAPA 1
s1
f1(s1,x1) = K(x1) + 5x1 + (1/3)x1f*2(1) + (1-(1/3)x1)f*2(0)
Solución óptima
x1=0
x1=1
x1=2
x1=3
x1=4
x1=5
f*1
x*1
1
34.7119342
36.5706447
33.8568816
36.2856272
40.4285424
45.1428475
33.8568816
2

Detalle de los cálculos:
f1(1,0) =   0 + 5*0 + (1/3)0*34.7119342 = 34.7119342
f1(1,1) = 20 + 5*1 + (1/3)1*34.7119342 = 36.5706447
f1(1,2) = 20 + 5*2 + (1/3)2*34.7119342 = 33.8568816 (el costo probable sólo se reduce hasta aquí)
f1(1,3) = 20 + 5*3 + (1/3)3*34.7119342 = 36.2856272 (no considerar)
f1(1,4) = 20 + 5*4 + (1/3)4*34.7119342 = 40.4285424 (no considerar)
f1(1,5) = 20 + 5*5 + (1/3)5*34.7119342 = 45.1428475 (no considerar)

Costo Mínimo Probable: 33.8568816
Solución óptima: x1 = 2, x2 = 2, x3 = 3


PROBLEMA 4
Se debe fabricar un artículo con altas exigencias de calidad y se ha estimado que la probabilidad de que apruebe el nivel de calidad y salga bueno es de sólo 1/5 (20%) y los artículos malos son sin posibilidad de recuperación. Poner en marcha las maquinarias un día para producir tiene un costo de $700 y el costo por unidad que se decida producir es de $50, y se dispone de 3 días.
Si no se logra producir un artículo bueno en los 3 días, por contrato deberá pagarse una multa de $2100. ¿Cuál es la política de producción más conveniente a seguir durante estos 3 días para lograr al menos un artículo bueno? ¿Cuál debe ser el piso para el precio de venta de ese artículo bueno que se produzca?

ETAPA 3
s3
f3(s3,x3) = K(x3)+50x3
Solución óptima
x3=0
x3=1
x3=2
x3=3
x3=4
x3=5
x3=6
x3=7
x3=8
x3=9
x3=10
f*3
x*3
0
0
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
0
0
1
2100
2430
2144
1925.2
1760.16
1638.128
1550.502
1490.402
1452.322
1431.857
1425.486
1425.5
10

ETAPA 2
s2
f2(s2,x2) = K(x2) + 50x2 + (4/5)x2f*3(1) + (1-(4/5)x2)f*3(0)
Solución óptima
x2=0
x2=1
x2=2
x2=3
x2=4
x2=5
x2=6
x2=7
x2=8
f*2
x*2
0
0
-
-
-
-
-
-
-
-
0
0
1
1425.486
1890.389
1712.311
1579.849
1483.879
1417.103
1373.683
1348.946
1339.157
1339.157
8

ETAPA 1
s1
f1(s1,x1) = K(x1) + 50x1 + (4/5)x1f*2(1) + (1-(4/5)x1)f*2(0)
Solución óptima
x1=0
x1=1
x1=2
x1=3
x1=4
x1=5
x1=6
x1=7
x1=8
f*1
x*1
1
1339.157
1821.325
1657.06
1535.648
1448.519
1388.815
1351.052
1330.842
1324.673
1324.673
8

Respuesta 1: La política de producción más conveniente a seguir durante estos 3 días para lograr al menos un artículo bueno es: Producir 8 artículos el día 1, y si salen todos malos, el día 2 producir 8 artículos, y si salen todos malos, producir 10 el día 3.
Respuesta 2: El piso para el precio de venta de ese artículo bueno que se produzca es: $1324.673

También podemos responder que:

El Costo Mínimo Probable es: $1324.673, y que la solución óptima es: x1 = 8 ,  x2 = 8 ,  x3 = 10

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