diff options
Diffstat (limited to 'graf/n6.lyx')
| -rw-r--r-- | graf/n6.lyx | 2099 |
1 files changed, 2099 insertions, 0 deletions
diff --git a/graf/n6.lyx b/graf/n6.lyx new file mode 100644 index 0000000..e296d0b --- /dev/null +++ b/graf/n6.lyx @@ -0,0 +1,2099 @@ +#LyX 2.3 created this file. For more info see http://www.lyx.org/ +\lyxformat 544 +\begin_document +\begin_header +\save_transient_properties true +\origin unavailable +\textclass book +\begin_preamble +\usepackage{amssymb} +\end_preamble +\use_default_options true +\begin_modules +algorithm2e +\end_modules +\maintain_unincluded_children false +\language spanish +\language_package default +\inputencoding auto +\fontencoding global +\font_roman "default" "default" +\font_sans "default" "default" +\font_typewriter "default" "default" +\font_math "auto" "auto" +\font_default_family default +\use_non_tex_fonts false +\font_sc false +\font_osf false +\font_sf_scale 100 100 +\font_tt_scale 100 100 +\use_microtype false +\use_dash_ligatures true +\graphics default +\default_output_format default +\output_sync 0 +\bibtex_command default +\index_command default +\paperfontsize default +\spacing single +\use_hyperref false +\papersize default +\use_geometry false +\use_package amsmath 1 +\use_package amssymb 1 +\use_package cancel 1 +\use_package esint 1 +\use_package mathdots 1 +\use_package mathtools 1 +\use_package mhchem 1 +\use_package stackrel 1 +\use_package stmaryrd 1 +\use_package undertilde 1 +\cite_engine basic +\cite_engine_type default +\biblio_style plain +\use_bibtopic false +\use_indices false +\paperorientation portrait +\suppress_date false +\justification true +\use_refstyle 1 +\use_minted 0 +\index Index +\shortcut idx +\color #008000 +\end_index +\secnumdepth 3 +\tocdepth 3 +\paragraph_separation indent +\paragraph_indentation default +\is_math_indent 0 +\math_numbering_side default +\quotes_style french +\dynamic_quotes 0 +\papercolumns 1 +\papersides 1 +\paperpagestyle default +\tracking_changes false +\output_changes false +\html_math_output 0 +\html_css_as_file 0 +\html_be_strict false +\end_header + +\begin_body + +\begin_layout Standard +Un +\series bold +modelo +\series default + o +\series bold +problema de programación lineal entera +\series default + es un modelo de programación u optimización lineal al que se le añade la + restricción de que algunas o todas las variables deben ser enteras. + El modelo general es +\begin_inset Formula +\begin{align*} + & \max & \sum_{i=1}^{n}c_{i}x_{i}\\ + & & \sum_{i=1}^{n}a_{ij}x_{i} & \leq b_{j}, & & \forall j\in\{1,\dots,m\},\\ + & & x_{i} & \geq0, & & \forall i\in\{1,\dots,n\},\\ + & & x_{i} & \in\mathbb{Z}, & & \forall i\in I\subseteq\{1,\dots,n\}. +\end{align*} + +\end_inset + + +\end_layout + +\begin_layout Standard +El problema es +\series bold +entero puro +\series default + si +\begin_inset Formula $I=\{1,\dots,n\}$ +\end_inset + + y +\series bold +entero mixto +\series default + en otro caso. + Como en la programación lineal, se pueden hacer transformaciones como cambiar + el sentido de optimización del problema, el sentido de una restricción + o el signo de una variable; convertir una restricción de igualdad en dos + de desigualdad, o transformar una variable no restringida en dos variables + positivas. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Llamamos +\series bold +relajación lineal +\series default + de un problema de programación lineal entera al resultado de eliminar de + este las +\series bold +restricciones de integridad +\series default +, las de la forma +\begin_inset Formula $x_{i}\in\mathbb{Z}$ +\end_inset + +. + El valor óptimo de la relajación lineal es mejor o igual al del problema + entero. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Si +\begin_inset Formula $x\in\mathbb{R}^{m}$ +\end_inset + + e +\begin_inset Formula $y\in\mathbb{R}^{n}$ +\end_inset + +, llamamos +\begin_inset Formula $[x,y]:=(x_{1},\dots,x_{m},y_{1},\dots,y_{n})\in\mathbb{R}^{n+m}$ +\end_inset + +; si +\begin_inset Formula $A\in{\cal M}_{n\times p}(\mathbb{R})$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $B\in{\cal M}_{n\times q}(\mathbb{R})$ +\end_inset + +, llamamos +\begin_inset Formula $[A,B]:=(c_{ij})\in{\cal M}_{n\times(p+q)}(\mathbb{R})$ +\end_inset + + dada por +\begin_inset Formula $c_{ij}:=a_{ij}$ +\end_inset + + para +\begin_inset Formula $j\leq p$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $c_{ij}:=b_{i(j-p)}$ +\end_inset + + para +\begin_inset Formula $j>p$ +\end_inset + +, y escribimos +\begin_inset Formula $[x_{1},\dots,x_{n}]:=[x_{1},[x_{2},\dots,x_{n}]]$ +\end_inset + + para +\begin_inset Formula $n>2$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $[x_{1}]:=x_{1}$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Como +\series bold +teorema +\series default +, sean +\begin_inset Formula $A\in{\cal M}_{n\times p}(\mathbb{Q})$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $G\in{\cal M}_{n\times q}(\mathbb{Q})$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $b\in\mathbb{Q}^{n}$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $P:=\{[x,y]\in\mathbb{R}^{p+q}:Ax+Gy\leq b\}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $S:=\{[x,y]\in P:x\in\mathbb{Z}^{p}\}$ +\end_inset + +, existen +\begin_inset Formula $A'\in{\cal M}_{n\times p}(\mathbb{Q})$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $G'\in{\cal M}_{n\times q}(\mathbb{Q})$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $b'\in\mathbb{Q}^{n}$ +\end_inset + + tales que +\begin_inset Formula $\text{ec}S=\{[x,y]:A'x+G'y\leq b'\}$ +\end_inset + +. + Si algunos coeficientes son irracionales, la envoltura convexa del conjunto + factible puede no ser un poliedro. + +\series bold +Demostración: +\series default + Sean +\begin_inset Formula $S:=\{(x,y)\in\mathbb{Z}^{2}:y\leq\sqrt{2}x,x\geq0,y\geq0\}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $C:=\{(x,y):y<\sqrt{2}x,x\geq0,y\geq0\}\cup\{0\}$ +\end_inset + +. + Como para +\begin_inset Formula $x\in\mathbb{Z}$ +\end_inset + + es +\begin_inset Formula $\sqrt{2}x\notin\mathbb{Z}$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $S\subseteq C$ +\end_inset + +. + Sean +\begin_inset Formula $a,b\in C$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $t\in[0,1]$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $p:=(1-t)a+tb$ +\end_inset + +, si uno de +\begin_inset Formula $a$ +\end_inset + + o +\begin_inset Formula $b$ +\end_inset + + es 0, por ejemplo +\begin_inset Formula $a$ +\end_inset + +, entonces +\begin_inset Formula $p=(tb_{1},tb_{2})$ +\end_inset + +, que es 0 si +\begin_inset Formula $t=0$ +\end_inset + + y en otro caso cumple las otras condiciones, y en otro caso +\begin_inset Formula $p$ +\end_inset + + +\begin_inset Quotes cld +\end_inset + +hereda +\begin_inset Quotes crd +\end_inset + + las otras condiciones de +\begin_inset Formula $a$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $b$ +\end_inset + +. + Por tanto +\begin_inset Formula $C$ +\end_inset + + es conexo y +\begin_inset Formula $\text{ec}S\subseteq C$ +\end_inset + +. + Además, +\begin_inset Formula $0\in S$ +\end_inset + + y para +\begin_inset Formula $(x,y)\in C\setminus\{0\}$ +\end_inset + +, como +\begin_inset Formula $x>0$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $\frac{y}{x}<\sqrt{2}$ +\end_inset + + y existen +\begin_inset Formula $p,q\in\mathbb{Z}$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $\frac{p}{q}\in[\frac{y}{x},\sqrt{2})$ +\end_inset + +, luego +\begin_inset Formula $(q,p)\in S$ +\end_inset + + y, como +\begin_inset Formula $(q,0)\in S$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $p>q\frac{y}{x}$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $(q,q\frac{y}{x})\in\text{ec}S$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $(q\frac{x}{q},q\frac{y}{x}\frac{x}{q})=(x,y)\in\text{ec}S$ +\end_inset + +, luego +\begin_inset Formula $C\subseteq\text{ec}S$ +\end_inset + +. + Así, +\begin_inset Formula $C=\text{ec}S$ +\end_inset + +, pero +\begin_inset Formula $C$ +\end_inset + + no es un poliedro. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Sean +\begin_inset Formula $A\in{\cal M}_{m\times n}(\mathbb{Q})$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $b\in\mathbb{Q}^{m}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $P:=\{x\in\mathbb{R}^{n}:Ax\leq b\}$ +\end_inset + +, si +\begin_inset Formula $P_{I}:=\text{ec}(P\cap\mathbb{Z}^{n})\neq\emptyset$ +\end_inset + +, para +\begin_inset Formula $c\in\mathbb{R}^{n}$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $\{c\cdot x\}_{x\in P_{I}}$ +\end_inset + + está acotado superiormente si y sólo si lo está +\begin_inset Formula $\{c\cdot x\}_{x\in P}$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Section +Matrices totalmente unimodulares +\end_layout + +\begin_layout Standard +\begin_inset ERT +status open + +\begin_layout Plain Layout + + +\backslash +sremember{OL} +\end_layout + +\end_inset + + +\end_layout + +\begin_layout Standard +Sean +\begin_inset Formula $A\in{\cal M}_{m\times n}(\mathbb{R})$ +\end_inset + + de rango +\begin_inset Formula $m$ +\end_inset + + (por tanto +\begin_inset Formula $m\leq n$ +\end_inset + +), +\begin_inset Formula $b\in\mathbb{R}^{m}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $c\in\mathbb{R}^{n}$ +\end_inset + +. + [...] Llamamos +\begin_inset Formula $A_{1},\dots,A_{n}$ +\end_inset + + a las columnas de +\begin_inset Formula $A$ +\end_inset + + [...]. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Dado +\begin_inset Formula $S\subseteq\{1,\dots,n\}$ +\end_inset + +, la submatriz +\begin_inset Formula $B\in{\cal M}_{m}(\mathbb{R})$ +\end_inset + + formada por las columnas de +\begin_inset Formula $A$ +\end_inset + + con índice en +\begin_inset Formula $S$ +\end_inset + + es +\series bold +básica +\series default + si es de rango máximo. + Entonces, de las variables +\begin_inset Formula $x_{1},\dots,x_{n}$ +\end_inset + +, [...] +\begin_inset Formula $x_{k}$ +\end_inset + + es una +\series bold +variable básica +\series default + [...] si +\begin_inset Formula $k\in S$ +\end_inset + + [...] ([...] +\begin_inset Formula $N$ +\end_inset + + es la submatriz formada por las columnas de +\begin_inset Formula $A$ +\end_inset + + con índice no en +\begin_inset Formula $S$ +\end_inset + +). +\end_layout + +\begin_layout Standard +[...] Si +\begin_inset Formula $S=\{s_{1},\dots,s_{m}\}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $\{1,\dots,n\}\setminus S=\{t_{1},\dots,t_{n-m}\}$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $s_{1}<\dots<s_{m}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $t_{1}<\dots<t_{n-m}$ +\end_inset + +, llamamos +\begin_inset Formula $x_{B}:=(x_{s_{1}},\dots,x_{s_{m}})$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $x_{N}:=(x_{t_{1}},\dots,x_{t_{n-m}})$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $\mathbf{b}(x_{1},\dots,x_{m})=\sum_{k}e_{s_{k}}x_{k}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $\mathbf{n}(x_{1},\dots,x_{n-m}):=\sum_{k}e_{t_{k}}x_{k}$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $\mathbf{b}\in{\cal M}_{n\times m}(\mathbb{R})$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $\mathbf{n}\in{\cal M}_{n\times(n-m)}(\mathbb{R})$ +\end_inset + +. + [...] +\end_layout + +\begin_layout Standard +Llamamos +\series bold +solución básica +\series default + a [...] +\begin_inset Formula $x\in\{Ax=b\}$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $x_{N}=0$ +\end_inset + + y, por tanto, [...] +\begin_inset Formula $x_{B}=B^{-1}b$ +\end_inset + +, y [...] es +\series bold +factible +\series default + si +\begin_inset Formula $x\geq0$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Dado +\begin_inset Formula $F:=\{Ax=b,x\geq0\}$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $x\in F$ +\end_inset + + es un punto extremo si y sólo si es una solución básica factible. + Además, si +\begin_inset Formula $F\neq\emptyset$ +\end_inset + +, existe al menos un punto extremo. +\end_layout + +\begin_layout Standard +\begin_inset ERT +status open + +\begin_layout Plain Layout + + +\backslash +eremember +\end_layout + +\end_inset + + +\end_layout + +\begin_layout Standard +\begin_inset Formula $A\in{\cal M}_{m\times n}(\mathbb{R})$ +\end_inset + + es +\series bold +unimodular +\series default + si tiene rango máximo, todos sus coeficientes son enteros y el determinante + de cualquier submatriz cuadrada de tamaño máximo es 1, 0 o +\begin_inset Formula $-1$ +\end_inset + +, y es +\series bold +totalmente unimodular +\series default + si el determinante de cualquier submatriz cuadrada es 1, 0 o +\begin_inset Formula $-1$ +\end_inset + +, de modo que todas sus entradas son 1, 0 +\begin_inset Formula $-1$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Un poliedro +\begin_inset Formula $P\subseteq\mathbb{R}$ +\end_inset + + es +\series bold +entero +\series default + si todos sus puntos extremos están en +\begin_inset Formula $\mathbb{Z}^{n}$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard + +\series bold +Lema de Veinott-Dantzig: +\series default + Si +\begin_inset Formula $m<n$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $A\in{\cal M}_{m\times n}(\mathbb{Z})$ +\end_inset + + de rango +\begin_inset Formula $m$ +\end_inset + + es unimodular si y sólo si para cada +\begin_inset Formula $b\in\mathbb{Z}^{m}$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $Q:=\{x\in\mathbb{R}^{n}:Ax=b,x\geq0\}$ +\end_inset + + es entero. +\end_layout + +\begin_layout Itemize +\begin_inset Argument item:1 +status open + +\begin_layout Plain Layout +\begin_inset Formula $\implies]$ +\end_inset + + +\end_layout + +\end_inset + +Sea +\begin_inset Formula $x$ +\end_inset + + un punto extremo de +\begin_inset Formula $Q$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $x$ +\end_inset + + es una solución básica factible y tiene forma +\begin_inset Formula $x=:\mathbf{b}B^{-1}b$ +\end_inset + + para cierta submatriz +\begin_inset Formula $B\in{\cal M}_{m}(\mathbb{Z})$ +\end_inset + + no singular de +\begin_inset Formula $A$ +\end_inset + +. + La adjunta de +\begin_inset Formula $B$ +\end_inset + + también tiene coeficientes enteros, y como +\begin_inset Formula $|B|\in\{\pm1\}$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $B^{-1}=\frac{1}{|B|}\text{adj}B\in{\cal M}_{m}(\mathbb{Z})$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $x\in\mathbb{Z}^{n}$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Itemize +\begin_inset Argument item:1 +status open + +\begin_layout Plain Layout +\begin_inset Formula $\impliedby]$ +\end_inset + + +\end_layout + +\end_inset + +Sea +\begin_inset Formula $B\in{\cal M}_{m}(\mathbb{Z})$ +\end_inset + + una submatriz no singular de +\begin_inset Formula $A$ +\end_inset + + y queremos ver que +\begin_inset Formula $|B|\in\{\pm1\}$ +\end_inset + +. + Para +\begin_inset Formula $i\in\{1,\dots,n\}$ +\end_inset + +, sean +\begin_inset Formula $y\in\mathbb{Z}^{m}$ +\end_inset + + tal que +\begin_inset Formula $z:=y+(B^{-1})_{i}\geq0$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $b:=Bz=By+e_{i}$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $b\in\mathbb{Z}^{m}$ +\end_inset + + al tener +\begin_inset Formula $B$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $y$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $e_{i}$ +\end_inset + + todos los coeficientes enteros, luego +\begin_inset Formula $Q:=\{Ax=b,x\geq0\}$ +\end_inset + + es entero y +\begin_inset Formula $x:=\mathbf{b}z=\mathbf{b}B^{-1}b$ +\end_inset + + es una solución básica factible de +\begin_inset Formula $\{Ax=b,x\geq0\}$ +\end_inset + + y por tanto un punto extremo de +\begin_inset Formula $Q$ +\end_inset + +, de modo que +\begin_inset Formula $x=\mathbf{b}(y+(B^{-1})_{i})\in\mathbb{Z}^{m}$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $(B^{-1})_{i}\in\mathbb{Z}^{m}$ +\end_inset + + y, como +\begin_inset Formula $i$ +\end_inset + + es arbitrario, +\begin_inset Formula $B^{-1}\in\mathbb{Z}^{m}$ +\end_inset + +. + Ahora bien, como +\begin_inset Formula $B$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $B^{-1}$ +\end_inset + + son enteras y +\begin_inset Formula $|B||B^{-1}|=1$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $|B|\in\{1,-1\}$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +\begin_inset ERT +status open + +\begin_layout Plain Layout + + +\backslash +begin{samepage} +\end_layout + +\end_inset + + +\end_layout + +\begin_layout Standard + +\series bold +Teorema de Hoffman-Kruskal: +\series default + +\begin_inset Formula $A\in{\cal M}_{m\times n}(\mathbb{Z})$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $m\leq n$ +\end_inset + + es totalmente unimodular si y sólo si para +\begin_inset Formula $b\in\mathbb{Z}^{m}$ +\end_inset + +, el poliedro +\begin_inset Formula $\{x\in\mathbb{R}^{n}:Ax\leq b,x\geq0\}$ +\end_inset + + es entero. +\end_layout + +\begin_layout Itemize +\begin_inset Argument item:1 +status open + +\begin_layout Plain Layout +\begin_inset Formula $\implies]$ +\end_inset + + +\end_layout + +\end_inset + +Dada una submatriz +\begin_inset Formula $B\in{\cal M}_{m}$ +\end_inset + + de +\begin_inset Formula $[A,I]$ +\end_inset + + no singular, si +\begin_inset Formula $B$ +\end_inset + + es submatriz de +\begin_inset Formula $A$ +\end_inset + +, claramente +\begin_inset Formula $|B|\in\{\pm1\}$ +\end_inset + +, y en otro caso, desarrollando por columnas, +\begin_inset Formula $|B|=|B'|$ +\end_inset + + para alguna submatriz +\begin_inset Formula $B'$ +\end_inset + + de +\begin_inset Formula $B$ +\end_inset + + y de +\begin_inset Formula $A$ +\end_inset + +, por lo que +\begin_inset Formula $|B|\in\{\pm1\}$ +\end_inset + +. + Entonces +\begin_inset Formula $[I,A]$ +\end_inset + + es unimodular, con lo que +\begin_inset Formula $Q:=\{[x,y]\in\mathbb{R}^{n+m}:Ax+Iy=b,[x,y]\geq0\}$ +\end_inset + + es entero. + Sea ahora +\begin_inset Formula $[x,y]\in Q$ +\end_inset + + ( +\begin_inset Formula $x\in\mathbb{R}^{n}$ +\end_inset + +), claramente +\begin_inset Formula $y=b-Ax$ +\end_inset + +, por lo que la proyección de +\begin_inset Formula $Q$ +\end_inset + + en +\begin_inset Formula $\mathbb{R}^{n}\times0_{\mathbb{R}^{m}}$ +\end_inset + + es +\begin_inset Formula $P:=\{x\in\mathbb{R}^{n}:b=b,x\geq0,b-Ax\geq0\}=\{Ax\leq b,x\geq0\}$ +\end_inset + +. + Así, dado un punto extremo +\begin_inset Formula $x\in P$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $[x,b-Ax]\in Q$ +\end_inset + + es un punto extremo, pues si no lo fuera existirían +\begin_inset Formula $U:=[u,b-Au],V:=[v,b-Av]\in Q$ +\end_inset + + distintos y +\begin_inset Formula $t\in(0,1)$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $(1-t)U+tV=[x,b-Ax]$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $(1-t)u+tv=x$ +\end_inset + +, y como +\begin_inset Formula $u,v\in P$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $x$ +\end_inset + + no sería punto extremo. + Entonces +\begin_inset Formula $[x,b-Ax]\in\mathbb{Z}^{n+m}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $x\in\mathbb{Z}^{n}$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Itemize +\begin_inset Argument item:1 +status open + +\begin_layout Plain Layout +\begin_inset Formula $\impliedby]$ +\end_inset + + +\end_layout + +\end_inset + +Sean +\begin_inset Formula $b\in\mathbb{Z}^{m}$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $P:=\{x:Ax\leq b,x\geq0\}$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $Q:=\{[x,y]:Ax+y=b,[x,y]\geq0\}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $[x,y]\in Q$ +\end_inset + +, claramente +\begin_inset Formula $y=b-Ax$ +\end_inset + +, y si +\begin_inset Formula $[x,y]$ +\end_inset + + es punto extremo de +\begin_inset Formula $Q$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $x$ +\end_inset + + lo es de +\begin_inset Formula $P$ +\end_inset + +, pues si no lo fuera habrían +\begin_inset Formula $u,v\in P$ +\end_inset + + distintos y +\begin_inset Formula $t\in(0,1)$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $(1-t)u+tv=x$ +\end_inset + +, pero +\begin_inset Formula $[u,b-Au],[v,b-Av]\in Q$ +\end_inset + + y por tanto +\begin_inset Formula $[x,y]$ +\end_inset + + no sería punto extremo de +\begin_inset Formula $Q$ +\end_inset + +. + Así, como +\begin_inset Formula $P$ +\end_inset + + es entero, +\begin_inset Formula $Q$ +\end_inset + + también, luego +\begin_inset Formula $[A,I]$ +\end_inset + + es unimodular. + Sea entonces +\begin_inset Formula $B$ +\end_inset + + una submatriz cuadrada de +\begin_inset Formula $A$ +\end_inset + +, añadiendo a +\begin_inset Formula $B$ +\end_inset + + las filas de +\begin_inset Formula $A$ +\end_inset + + que no se han tomado para +\begin_inset Formula $B$ +\end_inset + + y las columnas de +\begin_inset Formula $I$ +\end_inset + + que valen 1 en esas filas, obtenemos una submatriz +\begin_inset Formula $B'$ +\end_inset + + de +\begin_inset Formula $[I,A]$ +\end_inset + + de tamaño +\begin_inset Formula $m$ +\end_inset + + y, desarrollando por columnas de +\begin_inset Formula $I$ +\end_inset + +, tenemos que +\begin_inset Formula $|B'|=|B|$ +\end_inset + +, pero por ser +\begin_inset Formula $[I,A]$ +\end_inset + + unimodular, +\begin_inset Formula $|B|=|B'|\in\{1,0,-1\}$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +\begin_inset ERT +status open + +\begin_layout Plain Layout + + +\backslash +end{samepage} +\end_layout + +\end_inset + + +\end_layout + +\begin_layout Section +Caracterizaciones de matrices unimodulares +\end_layout + +\begin_layout Standard +Como +\series bold +teorema +\series default +, una matriz +\begin_inset Formula $A$ +\end_inset + + es totalmente unimodular si y sólo si lo es +\begin_inset Formula $A^{t}$ +\end_inset + +, si y sólo si lo es +\begin_inset Formula $[A,I]$ +\end_inset + +, si y solo si lo es el resultado de añadir o quitar de +\begin_inset Formula $A$ +\end_inset + + una fila o columna igual a +\begin_inset Formula $e_{i}$ +\end_inset + + para algún +\begin_inset Formula $i$ +\end_inset + +, si y sólo si lo es el resultado de multiplicar una fila o columna de +\begin_inset Formula $A$ +\end_inset + + por +\begin_inset Formula $-1$ +\end_inset + +, si y sólo si lo es el resultado de intercambiar dos filas o columnas de + +\begin_inset Formula $A$ +\end_inset + +, si y sólo si lo es el resultado de duplicar una columna o fila de +\begin_inset Formula $A$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +\begin_inset Formula $A\in{\cal M}_{m\times n}(\mathbb{R})$ +\end_inset + + es +\series bold +euleriana +\series default + si en cada fila o columna la suma de los elementos es par. + Como +\series bold +teorema +\series default +, +\begin_inset Formula $A\in{\cal M}_{m\times n}(\{1,0,-1\})$ +\end_inset + + es totalmente unimodular si y sólo si la suma de los elementos de cada + submatriz cuadrada euleriana de +\begin_inset Formula $A$ +\end_inset + + es múltiplo de 4, si y sólo si para cada +\begin_inset Formula $F\subseteq\{1,\dots,m\}$ +\end_inset + + existe +\begin_inset Formula $F_{1}\subseteq F$ +\end_inset + + tal que, si +\begin_inset Formula $F_{2}:=F\setminus F_{1}$ +\end_inset + +, para +\begin_inset Formula $j\in\{1,\dots,n\}$ +\end_inset + + es +\begin_inset Formula +\[ +\left|\sum_{i\in F_{1}}a_{ij}-\sum_{i\in F_{2}}a_{ij}\right|\leq1. +\] + +\end_inset + + +\end_layout + +\begin_layout Standard +Como +\series bold +teorema +\series default +, si +\begin_inset Formula $A\in{\cal M}_{m\times n}(\{1,0,-1\})$ +\end_inset + +, ninguna columna de +\begin_inset Formula $A$ +\end_inset + + tiene más de dos elementos no nulos y existe una partición +\begin_inset Formula $\{F_{1},F_{2}\}$ +\end_inset + + de +\begin_inset Formula $\{1,\dots,m\}$ +\end_inset + + con elementos no necesariamente vacíos tal que, para +\begin_inset Formula $i\in\{1,\dots,n\}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $j,k\in\{1,\dots,m\}$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $j$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $k$ +\end_inset + + están en el mismo conjunto de la partición si y sólo si +\begin_inset Formula $a_{ji}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $a_{ki}$ +\end_inset + + tienen el mismo signo, entonces +\begin_inset Formula $A$ +\end_inset + + es totalmente unimodular. + En particular +\begin_inset Formula $A$ +\end_inset + + es totalmente unimodular si en cada columna tiene a lo sumo un coeficiente + +\begin_inset Formula $+1$ +\end_inset + + y otro +\begin_inset Formula $-1$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Una +\series bold +matriz de intervalo +\series default + es una matriz +\begin_inset Formula $A\in{\cal M}_{m\times n}(\{0,1\})$ +\end_inset + + tal que para +\begin_inset Formula $j\in\{1,\dots,n\}$ +\end_inset + + e +\begin_inset Formula $i,k\in\{1,\dots,m\}$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $i<k$ +\end_inset + +, si +\begin_inset Formula $a_{ij}=a_{kj}=1$ +\end_inset + +, entonces +\begin_inset Formula $a_{hj}=1$ +\end_inset + + para todo +\begin_inset Formula $i\leq h\leq k$ +\end_inset + +. + Toda matriz de intervalo es totalmente unimodular. +\end_layout + +\begin_layout Section +Modelos clásicos +\end_layout + +\begin_layout Standard +Un +\series bold +problema de asignación +\series default + consiste en asignar +\begin_inset Formula $n$ +\end_inset + + tareas a +\begin_inset Formula $n$ +\end_inset + + operarios, una tarea por operario, minimizando el tiempo total dada una + matriz +\begin_inset Formula $T\in{\cal M}_{n}(\mathbb{R}^{\geq0})$ +\end_inset + + en la que +\begin_inset Formula $t_{ij}$ +\end_inset + + es el tiempo que tarda el operario +\begin_inset Formula $i$ +\end_inset + + en realizar la tarea +\begin_inset Formula $j$ +\end_inset + +. + Si llamamos +\begin_inset Formula +\[ +x_{ij}:=\begin{cases} +1, & \text{el operario }i\text{ es asignado a la tarea }j;\\ +0, & \text{en otro caso} +\end{cases} +\] + +\end_inset + +para +\begin_inset Formula $i,j\in\{1,\dots,n\}$ +\end_inset + +, podemos formular el problema como +\begin_inset Formula +\begin{alignat*}{3} + & \min & {\textstyle \sum_{ij}}t_{ij}x_{ij}\\ + & & {\textstyle \sum_{j}}x_{ij} & \leq1, & & \forall i\\ + & & {\textstyle \sum_{i}}x_{ij} & \geq1, & & \forall j\\ + & & x_{ij} & \in\{0,1\}, & & \forall i,j +\end{alignat*} + +\end_inset + +Si las tareas se pueden hacer a la vez, lo que queremos minimizar es +\begin_inset Formula $\max_{i}\sum_{j}t_{ij}x_{ij}$ +\end_inset + +, para lo que cambiamos la formulación a +\begin_inset Formula +\begin{alignat*}{3} + & \min & z\\ + & & {\textstyle \sum_{j}}x_{ij} & \leq1, & & \forall i\\ + & & {\textstyle \sum_{i}}x_{ij} & \geq1, & & \forall j\\ + & & z-{\textstyle \sum_{j}}t_{ij}x_{ij} & \geq0, & & \forall i\\ + & & x_{ij} & \in\{0,1\}, & & \forall i,j +\end{alignat*} + +\end_inset + + +\end_layout + +\begin_layout Standard +Sean ahora +\begin_inset Formula $R:=(V:=\{1,\dots,n\},E,\omega)$ +\end_inset + + una red y +\begin_inset Formula $s,t\in V$ +\end_inset + + distintos, y queremos encontrar un paseo de coste mínimo de +\begin_inset Formula $s$ +\end_inset + + a +\begin_inset Formula $t$ +\end_inset + +, lo que definiendo las variables +\begin_inset Formula +\[ +x_{ij}:=\begin{cases} +1, & j\text{ aparece a continuación de }i\text{ en el camino};\\ +0, & \text{en otro caso}, +\end{cases} +\] + +\end_inset + +para +\begin_inset Formula $(i,j)\in V\times V$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $\{i,j\}\in E$ +\end_inset + +, podemos formular como +\end_layout + +\begin_layout Standard +\begin_inset Formula +\begin{alignat*}{3} + & \min & {\textstyle \sum_{ij}}d_{ij}x_{ij}\\ + & & {\textstyle \sum_{(s,j)\in E}}x_{sj} & =1,\\ + & & {\textstyle \sum_{(j,t)\in E}}x_{jt} & =1, & & \forall j\\ + & & {\textstyle \sum_{(i,v)\in E}}x_{iv}-{\textstyle \sum_{(v,j)\in E}x_{vj}} & =0, & & \forall v\neq s,t\\ + & & x_{ij} & \in\{0,1\}, & & \forall i,j +\end{alignat*} + +\end_inset + +Entonces el camino empieza en +\begin_inset Formula $s$ +\end_inset + +, sigue en el único +\begin_inset Formula $i$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $x_{si}=1$ +\end_inset + +, luego en el único +\begin_inset Formula $j$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $x_{ij}=1$ +\end_inset + +, y así hasta llegar a +\begin_inset Formula $t$ +\end_inset + +. + La unicidad sabemos que se da si +\begin_inset Formula $\omega(e)\geq0$ +\end_inset + + para todo +\begin_inset Formula $e$ +\end_inset + +; de lo contrario tenemos que añadir +\begin_inset Formula $\sum_{(i,v)\in E}x_{iv}\leq1,\forall v\neq s,t$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Para obtener el árbol generador minimal de +\begin_inset Formula $R$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $T=(V,E_{T})$ +\end_inset + +, llamamos +\begin_inset Formula $x_{ij}:=\chi_{E_{T}}(i,j)$ +\end_inset + + para +\begin_inset Formula $(i,j)\in E$ +\end_inset + +, y formulamos el problema como +\begin_inset Formula +\begin{alignat*}{3} + & \min & {\textstyle \sum_{ij}}c_{ij}x_{ij}\\ + & & {\textstyle \sum_{(i,j)\in E}x_{ij}} & =|V|-1\\ + & & {\textstyle \sum_{(i,j)\in E_{S}}x_{ij}} & \leq|S|-1, & & \forall S\subsetneq V:|S|\geq3\\ + & & x_{ij} & \in\{0,1\}, & & \forall i,j +\end{alignat*} + +\end_inset + +En efecto, la primera condición nos asegura que +\begin_inset Formula $T$ +\end_inset + + tenga +\begin_inset Formula $|V|-1$ +\end_inset + + ejes y la segunda que no tenga ciclos salvo, quizá, uno con todos los vértices + de +\begin_inset Formula $V$ +\end_inset + +, lo que la primera condición ya descarta, y esto caracteriza un árbol. + La relajación lineal de este problema da una solución entera. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Otra posible formulación, con las mismas variables resulta de cambiar la + segunda condición por +\begin_inset Formula $\sum_{(i,j)\in[S,V\setminus S]}x_{ij}\geq1,\forall S\subsetneq V:S\neq\emptyset$ +\end_inset + +, pues esto nos da la conexión y, junto con la primera condición, caracteriza + al árbol. + La relajación lineal no tiene por qué dar una solución entera. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Para el problema del viajante de comercio sobre una red completa +\begin_inset Formula $R:=(V:=\{0,\dots,n-1\},E:=\{\{i,j\}\}_{i,j\in V,i\neq j},d)$ +\end_inset + +, existen varias formulaciones: +\end_layout + +\begin_layout Enumerate + +\series bold +Formulación de Dantzig-Fulkerson-Johnson: +\series default + Sea +\begin_inset Formula +\[ +x_{ij}:=\left\{ \begin{aligned}1, & \text{el ciclo tiene }i\text{ y a continuación }j;\\ +0, & \text{en otro caso} +\end{aligned} +\right. +\] + +\end_inset + +para +\begin_inset Formula $(i,j)\in V\times V$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $\{i,j\}\in E$ +\end_inset + +, el problema es +\begin_inset Formula +\begin{alignat*}{3} + & \min & {\textstyle \sum}_{ij}d_{ij}x_{ij}\\ + & & {\textstyle \sum_{(i,j)\in E}}x_{ij} & =1, & & \forall i\\ + & & {\textstyle \sum}_{(k,i)\in E}x_{ki} & =1, & & \forall i\\ + & & x_{ij} & \in\{0,1\}, & & \forall i,j +\end{alignat*} + +\end_inset + +Para obtener el camino, tomamos un nodo inicial +\begin_inset Formula $i_{0}$ +\end_inset + +, luego el único +\begin_inset Formula $i_{1}$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $x_{i_{0}i_{1}}=1$ +\end_inset + +, y luego repetimos hasta volver a +\begin_inset Formula $i_{0}$ +\end_inset + +. + El ciclo resultante puede no ser hamiltoniano porque esta formulación permite + subciclos estrictos, ciclos que no contienen a todos los nodos. + Para evitar esto, podemos añadir la restricción +\begin_inset Formula $\sum_{e\in E_{s}}x_{e}\leq|S|-1,\forall S\subsetneq V:|S|\geq2$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Enumerate +Si ahora las variables son +\begin_inset Formula +\[ +x_{ij}:=\begin{cases} +1, & (i,j)\text{ está en el ciclo};\\ +0, & \text{en otro caso} +\end{cases} +\] + +\end_inset + +para +\begin_inset Formula $(i,j)\in E$ +\end_inset + +, otra formulación es +\begin_inset Formula +\begin{alignat*}{3} + & \min & {\textstyle \sum}_{e}d_{e}x_{e}\\ + & & {\textstyle \sum_{e\in N(v)}}x_{e} & =2, & & \forall v\\ + & & {\textstyle \sum}_{e\in E_{S}}x_{e} & \leq|S|-1, & & \forall S\subsetneq V:|S|\geq3\\ + & & x_{ij} & \in\{0,1\}, & & \forall i,j +\end{alignat*} + +\end_inset + +El ciclo se obtendría tomando un nodo inicial +\begin_inset Formula $i_{0}$ +\end_inset + +, luego un +\begin_inset Formula $i_{1}$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $x_{i_{0}i_{1}}=1$ +\end_inset + +, luego un +\begin_inset Formula $i_{2}\neq i_{0}$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $x_{i_{1}i_{2}}=1$ +\end_inset + +, etc. + En estas formulaciones el número de restricciones crece exponencialmente + con el número de vértices. +\end_layout + +\begin_layout Enumerate + +\series bold +Formulación de Miller-Tucker-Zemlin: +\series default + Las variables se definen como en la primera formulación con variables adicional +es +\begin_inset Formula $u_{1},\dots,u_{n}$ +\end_inset + +. + Llamando +\begin_inset Formula $n:=|V|$ +\end_inset + +: +\begin_inset Formula +\begin{alignat*}{3} + & \min & {\textstyle \sum}_{ij}d_{ij}x_{ij}\\ + & & {\textstyle \sum_{(i,j)\in E}}x_{ij} & =1 & & \forall i\\ + & & {\textstyle \sum_{(k,i)\in E}}x_{ki} & =1 & & \forall i\\ + & & u_{i}-u_{j}+nx_{ij} & \leq n-1 & & \forall i,j\in\{1,\dots,n-1\}:(i,j)\in E\\ + & & x_{ij} & \in\{0,1\} & & \forall i,j\\ + & & u_{i} & \in\mathbb{R}^{>0} & & \forall i +\end{alignat*} + +\end_inset + +Esto evita los ciclos que no contengan a 0, por lo que todos los nodos están + en el mismo ciclo. +\end_layout + +\begin_deeper +\begin_layout Standard +Sea +\begin_inset Formula $x$ +\end_inset + + una solución factible, si +\begin_inset Formula $x$ +\end_inset + + tuviera un ciclo que no contuviera al 0, como +\begin_inset Formula $1\,2\cdots k1$ +\end_inset + +, entonces +\begin_inset Formula $u_{i}-u_{i+1}+n\leq n-1$ +\end_inset + + para +\begin_inset Formula $i\in\{1,\dots,k-1\}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $u_{k}-u_{1}+n\leq n-1$ +\end_inset + +, y sumando todo queda +\begin_inset Formula $kn\leq kn-1\#$ +\end_inset + +. + Recíprocamente, sea +\begin_inset Formula $x$ +\end_inset + + la representación por variables de un ciclo hamiltoniano, llamamos +\begin_inset Formula $u_{i}:=t$ +\end_inset + + si +\begin_inset Formula $i$ +\end_inset + + es el +\begin_inset Formula $t$ +\end_inset + +-ésimo vértice visitado en el ciclo después del 0. + Entonces, para +\begin_inset Formula $(i,j)\in E$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $i,j\neq0$ +\end_inset + +, si +\begin_inset Formula $x_{ij}=0$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $u_{i}-u_{j}<u_{i}\leq n-1$ +\end_inset + +, y si +\begin_inset Formula $x_{ij}=1$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $u_{j}=u_{i}+1$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $u_{i}-u_{j}=-1$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $u_{i}-u_{j}+n=n-1$ +\end_inset + +, y en ambos casos la tercera condición se cumple. +\end_layout + +\end_deeper +\begin_layout Section +Situaciones generales +\end_layout + +\begin_layout Standard +Si tenemos +\begin_inset Formula $m$ +\end_inset + + restricciones +\begin_inset Formula $g_{i}(x_{1},\dots,x_{n})\leq0$ +\end_inset + + para +\begin_inset Formula $i\in\{1,\dots,m\}$ +\end_inset + + de las que queremos que se verifiquen al menos +\begin_inset Formula $k<m$ +\end_inset + +, tomamos +\begin_inset Formula $M$ +\end_inset + + lo suficientemente grande, añadimos las variables +\begin_inset Formula $y_{1},\dots,y_{m}\in\{0,1\}$ +\end_inset + + y añadimos las restricciones +\begin_inset Formula $g_{i}(x_{1},\dots,x_{n})\leq M(1-y_{i})$ +\end_inset + + para +\begin_inset Formula $i\in\{1,\dots,m\}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $\sum_{i=1}^{m}y_{i}\geq k$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Dadas dos variables +\begin_inset Formula $x_{1},x_{2}\in\mathbb{Z}$ +\end_inset + +, para definir una variable +\begin_inset Formula $y:=[x_{1}>x_{2}]$ +\end_inset + + ( +\begin_inset Formula $y=1$ +\end_inset + + si +\begin_inset Formula $x_{1}>x_{2}$ +\end_inset + + e +\begin_inset Formula $y=0$ +\end_inset + + en otro caso), tomamos +\begin_inset Formula $M$ +\end_inset + + lo suficientemente grande y añadimos +\begin_inset Formula $x_{1}-x_{2}-My\leq0$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $x_{2}-x_{1}+(1+M)y\leq M$ +\end_inset + + e +\begin_inset Formula $y\in\{0,1\}$ +\end_inset + +. + De esta forma, si +\begin_inset Formula $x_{1}>x_{2}$ +\end_inset + +, con +\begin_inset Formula $y=1$ +\end_inset + + tenemos +\begin_inset Formula $x_{1}-x_{2}-M\leq0$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $x_{2}-x_{1}+(1+M)\leq-1+1+M=M$ +\end_inset + + pero con +\begin_inset Formula $y=0$ +\end_inset + + tenemos +\begin_inset Formula $x_{1}-x_{2}>0\#$ +\end_inset + +, y si +\begin_inset Formula $x_{1}\le x_{2}$ +\end_inset + +, con +\begin_inset Formula $y=0$ +\end_inset + + tenemos +\begin_inset Formula $x_{1}-x_{2}\leq0$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $x_{2}-x_{1}\leq M$ +\end_inset + + pero con +\begin_inset Formula $y=1$ +\end_inset + + tenemos +\begin_inset Formula $x_{2}-x_{1}+1+M\geq1+M>M\#$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Dadas dos variables reales +\begin_inset Formula $x_{1}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $x_{2}$ +\end_inset + +, para definir +\begin_inset Formula $z\geq\min\{x_{1},x_{2}\}$ +\end_inset + +, hacemos que se cumpla una de +\begin_inset Formula $z\geq x_{1}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $z\geq x_{2}$ +\end_inset + +, y para definir +\begin_inset Formula $z\leq\max\{x_{1},x_{2}\}$ +\end_inset + +, hacemos que se cumpla una de +\begin_inset Formula $z\leq x_{1}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $z\leq x_{2}$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Si +\begin_inset Formula $x_{1},x_{2}\in\{0,1\}$ +\end_inset + +, para definir +\begin_inset Formula $y:=\min\{x_{1},x_{2}\}$ +\end_inset + + añadimos +\begin_inset Formula $y\leq x_{1}$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $y\leq x_{2}$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $y\geq x_{1}+x_{2}-1$ +\end_inset + + e +\begin_inset Formula $y\in\{0,1\}$ +\end_inset + +, y para definir +\begin_inset Formula $y:=\max\{x_{1},x_{2}\}$ +\end_inset + + añadimos +\begin_inset Formula $y\geq x_{1}$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $y\geq x_{2}$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $y\leq x_{1}+x_{2}$ +\end_inset + + e +\begin_inset Formula $y\in\{0,1\}$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\end_body +\end_document |
