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Localización Minimax con Incertidumbre
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Gregorio Fernández Cabrera
1 Localización Minimax con Incertidumbre Blas Pelegrín Pelegrín Departamento de Estadística e Investigación Operativa. Universidad de Murcia, 1 Introducción Una decisión importante que hay que tomar al establecer un nuevo centro de servicio o actividad económica, tanto en el sector público como en el privado, es dónde localizarlo. Esto sucede por ejemplo con un hospital, un colegio, un restaurante, un almacén para servir a consumidores o detallistas, una máquina en una planta de producción, o un punto de venta de una franquicia. Una buena localización está ligada, entre otros factores, con una mayor eficacia, una mayor utilización y una disminución en los costes operativos del centro correspondiente. Existen una gran cantidad de modelos matemáticos que permiten estudiar los aspectos cuantitativos de estos problemas, conocidos con el nombre de Modelos de Localización. En situación de monopolio, el objetivo más frecuente es optimizar alguna función de los costes de instalación y de transporte, mientras que en un oligopolio el objetivo suele ser maximizar el beneficio del centro, o bien su cuota de mercado. Excelentes estudios y revisiones sobre estos modelos pueden consultarse en [3, 4, 5, 7, 45, 1, 8, 2]. En monopolio, cada modelo se suele formular como un problema de optimización, donde la función objetivo depende de la distancia entre los puntos de demanda y los centros que los sirven. Ejemplos de tales funciones son el coste total de transporte, la distancia máxima entre puntos de demanda y centros, y la distancia mínima entre dichos puntos. En particular, hablaremos de Modelos de Localización Mínimaxsi el problema consiste en minimizar el máximo de una serie de funciones, cada una de las cuales es a su vez una función de la distancia entre un punto de demanda y un centro. Los modelos difieren unos de otros de-
2 180 Localización Minimax con Incertidumbre pendiendo del espacio de localización, de las funciones que se utilicen para medir la distancia, y de la función objetivo. Si el espacio es el Plano, cada centro y cada punto de demanda vienen representados por dos componentes (sus coordenadas geográficas) y la distancia entre dos puntos se mide mediante alguna función de sus coordenadas, normalmente usando una norma l p, 1 <p<,o l 2b,b > 0 [34, 42]). Si el espacio es una Red de Transporte, los puntos de demanda suelen estar en los nodos. Los centros están en los nodos, o en los tramos, midiéndose la distancia entre pares de puntos por la longitud del camino más corto que los une [11]. Cuando las funciones de la distancia son lineales, este tipo de problema se conoce con el nombre de Problema del p-centro, donde p hace referencia al número de centros a localizar, que ha sido ampliamente estudiado en ambiente de certidumbre. En el plano, para p = 1, tiene su origen en Silvester [19], quién en 1987 planteó el problema de encontrar el círculo de menor radio que contuviera a un conjunto de puntos dado (lo que equivale a encontrar un punto que minimice su distancia máxima a tales puntos). Sin embargo, este problema no se resolvió de forma eficiente hasta 1972, fecha que se publicó el algoritmo de Elzinga y Hearn [27], que más tarde fue generalizado al caso de funciones lineales de la distancia [31, 32]. En una red lo encontramos en 1964 con Hakimi [43], quién planteó y resolvió el problema cuando el candidato es cualquier punto. En ambos espacios, plano y red, el problema fue estudiado más adelante para funciones no lineales de la distancia [44, 38]. Para p>1 ha sido extensamente estudiado, utilizándose distintas medidas de la distancia en el caso del plano. Debido a que es un problema NP-duro, sólo se han utilizado algoritmos de tipo heurístico para encontrar soluciones a problemas con un elevado número de puntos de demanda [30, 20, 41, 39]. No obstante, existen algoritmos exactos que permiten resolver problemas con hasta una o dos centenas de puntos [29, 33, 20, 18, 25, 24, 14, 23]. Su extensión al espacio euclídeo de dimensión n>2 puede verse en Los modelos minimax han sido aplicados a problemas de localización de servicios de emergencia, como bomberos y ambulancias; de centros multimedia, como emisoras y antenas de telefonía; y de servicios de mensajería urgente [46, 35]. Su estudio en el espacio euclídeo con dimensión n>2esdeinterés en Clasificación y Análisis de Datos [9, 13], donde se utilizan para la determinación de representantes de grupos. Como cabe esperar, en numerosas situaciones se presenta incertidumbre. Esto sucede en particular en la localización de servicios de emergencia, donde se deberá atender cualquier incidente en una determinada región, o en conjunto de puntos de riesgo. Si el criterio de decisión es minimizar el tiempo máximo de desplazamiento desde el centro a los puntos de demanda, el tiempo de viaje se puede considerar como una variable aleatoria. Ello conduce a considerar que el factor que pondera la distancia es una variable aleatoria. En esta dirección,los primeros estudios en una red fueron realizados por Frank [49, 50], y en el plano (con los puntos de demanda alineados) por Wesolowsky [48], ambos considerando
3 B. Pelegrín 181 una distribución de probabilidad Normal para las variables aleatorias. Este tipo de incertidumbre ha sido extendido a otros modelos de localización [16, 51, 47, 17], pero sólo muy recientemente ha sido estudiado para el problema del 1-centro con otras distribuciones de probabilidad, como la distribución de Bernouilli ([52] y la Uniforme ([53, 54], y ha sido reconsiderado en una red usando la distribución Normal en [55]. En este trabajo presentamos un modelo general en el plano, donde la distancia viene medida por cualquier norma y se presenta incertidumbre en los coeficientes de la distancia, que vienen dados por variables aleatorias con distribuciones de probabilidad arbitrarias. Se consideran tres criterios de decisión, se analizan las propiedades básicas de los correspondientes modelos de optimización y se plantean procedimientos para su resolución. 2 El modelo Sean p i = (p i1,p i2 ), i = 1,...,n, un conjunto de puntos del plano cuyas coordenadas son conocidas. Cada punto p i tiene asociada una cantidad w i 0y va a ser servido desde un punto x =(x 1,x 2 ), cuyas coordenadas se desconocen. El objetivo es encontrar las coordenadas del punto x, con objeto de minimizar la distancia máxima de dicho punto a los n puntos dados, ponderada por las cantidades indicadas. Es decir, se pretende resolver el siguiente problema: (P )mín F (x) = máx {w id x R2 i (x)}. (8.1) 1 i n Dependiendo de la situación que se estudie, los puntos p i representan lugares donde tiene que llegar un determinado servicio, como una señal de TV, telefonía móvil,etc.; pueden ser puntos de riesgo de un determinado incidente, como un incendio, una explosión, una colisión de vehículos,etc.; puntos de venta a los que hay que entregar un producto perecedero, etc. La cantidad w i asociada a cada punto mide su importancia en relación a los demás puntos, debido al tamaño de la población existente, grado de riesgo del posible incidente, cantidad de demanda,etc.; o bien representa el inverso de la velocidad media en desplazarse desde x al punto p i, si se trata de un servicio de emergencia. La distancia d i (x) se suele medir con la norma euclídea, o con la norma rectangular, según se consideren grandes zonas geográficas, o zonas urbanas. Como ya se ha indicado en la sección 1, existen otras normas que proporcionan una mejor estimación de la distancia recorrida en los desplazamientos, por lo que vamos a considerar d i (x) = x p i, donde es una norma arbitraria, que especificaremos cuando sea necesario. Si no se presenta incertidumbre, es bien conocido que el problema (P ) tiene siempre solución óptima y al menos existe una solución óptima en la envolvente convexa de los puntos p i. Su resolución pude hacerse por diferentes procedimientos, que dependen principalmente de la norma elegida y de si las ponderaciones
4 182 Localización Minimax con Incertidumbre son iguales o distintas. Denotaremos por f al valor óptimo y por x a una solución óptima. A continuación vamos a describir los algoritmos de resolución que se utilizan con mayor frecuencia. 2.1 Puntos colineales Si los puntos p i están alineados, podemos representarlos de la forma p i = p 0 + λ i v, donde p 0 es un punto de la línea elegido de forma arbitraria y v es la dirección de alineación. Cualquiera que sea la norma, una solución óptima del problema viene determinada por el algoritmo siguiente. Algoritmo 1 1. Calcular la cantidad: F λ =máx i j {w iw j λ i λ j w i + w j } 2. Determinar dos índices t y s para los cuales se alcanza el valor máximo anterior. 3. Calcular el siguiente valor: λ = w tλ t + w s λ s w t + w s 4. La solución óptima y el valor óptimo son: x = p 0 + λ v, f = F λ 2.2 Puntos no colineales y norma l 1 Si los puntos se encuentran en una zona urbana y los desplazamientos se realizan a través de sus calles, puede resultar apropiado estimar la distancia por la norma l 1, conocida también por norma rectangular o métrica de Manhatan. En este caso tenemos que : d i (x) = x 1 p i1 + x 2 p i2 Para resolver el problema con esta métrica se usa la transformación u 1 = x 1 + x 2, u 2 = x 1 x 2. Los puntos p i =(p i1,p i2 ) se transforman en los puntos u i =(u i1,u i2 ) y la distancia viene dada por: d i (x) =máx{ u 1 u i1, u 2 u i2 }
5 B. Pelegrín 183 Reemplazando la expresión anterior en la función objetivo se obtiene que el problema es separable en las nuevas variables. Cada uno de los dos subproblemas resultantes es del tipo visto para puntos colineales. Entonces se obtiene el siguiente procedimiento de resolución [7]. Algoritmo 2 1. Calcular las cantidades: F u1 =máx i j {w iw j u i1 u j1 w i + w j } F u2 =máx {w iw j u i2 u j2 } i j w i + w j F u =máx{f u1,f u2 } 2. Determinar dos índices t y s para los cuales se alcanza el valor máximo F u1. Determinar dos índices h y k para los cuales se alcanza el valor máximo F u2. Calcular los siguientes valores: u 1 = w tu t1 + w s u s1 w t + w s u 2 = w hu h2 + w k u k2 w h + w k 3. i) Si F u1 = F u2 sólo hay una solución óptima x cuyas coordenadas son: x 1 = u 1 + u 2 2 x 2 = u 1 u 2 2 ii) Si F u1 <F u2 las soluciones óptimas son los puntos x =(x 1,x 2 ) del segmento: 1 2 (u 2 + max 1 i n {u i1 F u }) x 1 1 w i 2 (u 2 + min 1 i n {u i1 + F u }) w i x 1 x 2 = u 2 iii) Si F u1 >F u2 las soluciones óptimas son los puntos x =(x 1,x 2 )del segmento: 1 2 (u 1 + max 1 i n {u i2 F u }) x 1 1 w i 2 (u 1 + min 1 i n {u i2 + F u }) w i 4. El valor óptimo es: f = F u x 1 + x 2 = u 1
6 184 Localización Minimax con Incertidumbre 2.3Puntos no colineales y norma l 2 En ocasiones los puntos de demanda están dispersos en grandes áreas y resulta más conveniente usar la norma euclídea. Entonces se tiene: d i (x) = (x 1 p i1 ) 2 +(x 2 p i2 ) 2 Como esta métrica es una S-norma, el problema (P ) tiene solución única y viene dada por la solución óptima de un problema similar con sólo dos o tres puntos de demanda [38]. Si tenemos en cuenta que dos puntos p i,p j, con w i w j, determinan una circunferencia formada por todos los puntos que cumplen w i d i (x) =w j d j (x), vamos a ver como se obtendría la solución óptima. Para n = 2 la solución es el punto x = w1p1+w2p2 w 1+w 2. Para n = 3 la solución está determinada por dos de los tres puntos, o por los tres. En el primer caso, hay que obtener las soluciones óptimas para los tres pares de puntos, según acabamos de indicar. En el segundo caso, la solución óptima se encuentra de la siguiente forma: Si w 1 = w 2 = w 3 es la intersección de las mediatrices del triángulo determinado por los tres puntos. Si w 1 = w 2 w 3 es la intersección de la mediatriz del segmento [p 1,p 2 ] con las circunferencias determinadas por los pares de puntos p 1,p 3 y p 2,p 3. Los casos w 1 = w 3 w 2 y w 2 = w 3 w 1 son similares al anterior. Si w 1 w 2 w 3 es la intersección de las tres circunferencias determinadas por los pares p 1,p 2, p 1,p 3 y p 2,p 3. Un algoritmo muy eficiente para resolver el problema es el siguiente [31]. Algoritmo 3 1 Elegir dos puntos cualesquiera, que notamos por p 1 y p 2. Obtener la solución óptima x para estos dos puntos. Hacer N = 2 e ir al paso 2. 2Siw 1 d 1 (x )=F (x ), PARAR. De lo contrario ir al paso 3 si N =2yal paso 4 si N =3. 3 Denotemos por p 3 a un punto tal que w 3 d 3 (x )=F (x ). Encontrar la solución x para p 1, p 2 y p 3. Tomar N igual al número de puntos que determinan x. Si N = 2 denominar a los puntos correspondientes por p 1 y p 2. Ir al paso 2. 4 Denotemos por p 4 a un punto tal que w 4 d 4 (x )=F (x ).Encontrar la solución x para estos cuatro puntos explorando los pares p 1,p 4 ; p 2,p 4 ; p 3,p 4 y los tríos p 1,p 2,p 4 ; p 1,p 3,p 4 ; p 2,p 3,p 4.Tomar N igual al número de puntos que determinan x.sin = 2 denominar a los puntos correspondientes por p 1 y p 2.SiN = 3 denominarlos por p 1, p 2 y p 3. Ir al paso 2. En las secciones siguientes vamos a analizar este modelo cuando se presenta incertidumbre en los coeficientes de la distancia. Esto suele pasar cuando el producto w i d i (x) representa el tiempo de viaje entre los puntos p i y x. En este caso
7 B. Pelegrín 185 w i es el inverso de la velocidad media y puede considerarse una variable aleatoria, ya que la velocidad media es mayor o menor, dependiendo de la circulación existente. También puede haber incertidumbre si el riesgo de incidente en cada punto no es fijo, sino que varía dependiendo de las condiciones atmosféricas, del tráfico, o cualquier otro factor, según el problema objeto de estudio. Vamos a suponer entonces que los coeficientes de la distancia en el modelo son variables aleatorias independientes con distribuciones de probabilidad arbitrarias. Al vector n-dimensional aleatorio determinado por estas variables lo denotaremos por w, de manera que w =(w 1,w 2,..., w n ) representará un posible valor de w. A la función objetivo la denotaremos por F (x, w), que es una variable aleatoria que tomará el valor máx 1 i n {w i d i (x)} si w = w. Supondremos que la distribución de probabilidad de w es discreta, oabsolutamente continua, y que cada una de las variables aleatorias w i toma valores dentro de un intervalo [a i,b i ], donde a i 0. 3El criterio del valor esperado Si aplicamos el criterio del valor esperado en el modelo anterior, tendremos que resolver el problema: (E) mín x R 2 E(x) =E w[f (x, w)] (8.2) donde Ew denota el valor esperado utilizando la correspondiente distribución de probabilidad del vector aleatorio w. Vamos a ver que (E) es un problema de Programación Convexa con algunas características particulares. Sea H la envolvente convexa de los puntos p i. Teorema 2 La función E(x) es convexa en R 2 y siempre se puede encontrar una solución óptima en H. Demostración: Para cada valor de la variable w, la función F(x,w) es convexa en la variable x, ya que está definida como el máximo de n funciones convexas (la distancia viene dada por una norma y puede comprobarse fácilmente que es una función convexa). Por consiguiente,si x = λy +(1 λ)z, 0 λ 1, resulta que: E(x) = Ew[F (x, w)] Ew[λF (y, w)+(1 λ)f (z,w)] = λew[f (y, w)]+(1 λ)ew[f (z,w)] = λe(y)+(1 λ)e(z). Como E(x) es convexa en R 2, tiene que ser continua. Si x H, cualquiera que sea la norma que se utilice debe existir un punto x H tal que d i (x) d i (x ) (véase [56]). Por lo tanto: E(x) =Ew[F (x, w)] Ew[F (x, w)] = E(x )
8 186 Localización Minimax con Incertidumbre Por ser E(x) continua y la envolvente convexa un conjunto compacto, de la desigualdad anterior se desprende que su valor mínimo se alcanza en algún punto de H. A los valores de toma la variable F (x, w) los denotaremos por la letra f ya su función de distribución de probabilidad por G x (f). Esta función viene dada por: n G x (f) =P r [F (x, w) f] = P r [w i f n d i=1 i (x) ]= f G i ( d i=1 i (x) ) donde G i es la función de distribución de probabilidad de la variable w i. Una vez determinada G x (f) se obtendrá su valor esperado E(x). Del teorema anterior se desprende que cualquier mínimo local de la función E(x) esunmínimo global, por lo que se pueden utilizar los algoritmos usuales de descenso de la Programación no Lineal para encontrar una solución óptima del problema (E). Como punto inicial para comenzar las iteraciones puede tomarse x 0 = 1 n 1 i n p i, que pertenece a H. Una gran dificultad en el uso de estos algoritmos reside en la evaluación de la función E(x k ) en cada una de las iteraciones, ya que la función de distribución de F (x, w), aunque conocida, es en general complicada. El uso eficiente de un algoritmo determinado va a depender de cada situación, es decir de cuales sean las funciones G i. El caso más sencillo es cuando las variables w i son binarias y ha sido recientemente estudiado en [52]. Dada la gran dificultad computacional para resolver este problema, se describen a continuación algunas alternativas para obtener una localización adecuada del centro en la situación de incertidumbre que estamos considerando. Si los valores de cada variable w i están muy agrupados entorno a su valor esperado, que denotaremos por µ i, una buena localización sería la solución óptima del problema (P), tomando el valor µ i como coeficiente de d i (x). Si el problema es localizar un servicio de emergencia, ello supondría minimizar el máximo de las tiempos de viaje esperados, en lugar del valor esperado del tiempo máximo de viaje. Con este criterio alternativo habría entonces que resolver el problema: (P µ )mín F µ(x) = máx {µ id i (x)} (8.3) x R 2 1 i n Su solución óptima la denotaremos por x µ y su valor óptimo por fµ, los cuales pueden obtenerse según se ha indicado en la sección 2. La bondad de esta propuesta se debe a que la solución óptima de (P µ ) está determinada por a lo sumo tres de los puntos de demanda, los cuales están a una distancia (ponderada) del punto x µ igual a fµ (véase [38]). Para los otros puntos p i,lomás normal es que µ i d i (x µ) sea bastante menor que fµ. Por lo que para esos puntos w i d i (x) no va a superar nunca fµ, cualquiera que sea el valor que tome la variable w i, siempre que haya suficiente concentración entorno a su media. Otra alternativa consiste en elegir como localización del centro una solución del problema (P) tomando el valor b i como coeficiente de d i (x). Con este criterio
9 B. Pelegrín 187 habría que resolver el problema: (P b )mín x R 2 F b(x) = máx 1 i n {b id i (x)} (8.4) Su solución óptima la denotaremos por x b y su valor óptimo por f b. Con esta localización se garantiza que para cualquier realización de las variables aleatorias la función objetivo no sobrepase el valor fb, ya que cada variable w i está acotada superiormente por b i. Sea v(e) el valor óptimo del problema (E). Con las dos alternativas anteriores se obtienen cotas para este valor, según se indica a continuación. Teorema 3 Se verifica que: f µ v(e) f b Demostración: Como w i d i (x) F (x, w), resulta que µ i d i (x) Ew[F (x, w)]. Por lo tanto F µ (x) E(x), de donde se desprende que F µ E(x), x. Por otra parte F (x, w) máx 1 i n {b i d i (x)}, x, de donde resulta que Ew[F (x, w)] máx 1 i n {b id i (x)}, x. Al minimizar en las expresiones anteriores se obtienen las desigualdades propuestas. 4 El criterio de máximo cubrimiento en probabilidad En ocasiones, fijar un valor f y localizar el centro en un punto con probabilidad máxima de que la variable F (x, w) no sobrepase dicho valor sea, puede resultar más interesante que usar el criterio del valor esperado. Para encontrar ese punto habría que resolver el problema: (C f )máx P (x) =P r[f (x, w) f] (8.5) x R 2 La función objetivo de este problema se puede evaluar muy fácilmente, al contrario de lo que sucedía con la del problema (E), ya que viene dada por: P (x) =G x (f) = n f G i ( d i (x) ) Como ya se ha indicado, G i es la función de distribución de la variable w i, que suponemos conocida. Sin embargo, está función no es cóncava (los máximos i=1
10 188 Localización Minimax con Incertidumbre locales no son globales), por lo que para resolver el problema (C f ) no se puede usar el mismo tipo de algoritmos que para el problema (E). Denotemos por v(c f ) y X(C f ) respectivamente al valor óptimo y al conjunto de soluciones óptimas del problema (C f ). Vamos a ver en primer lugar sus propiedades más notables. Teorema 4 Para cualquier valor f>0, el problema (C f )tiene solución y siempre se puede encontrar una solución óptima en H. Demostración: Según se ha visto en el teorema 2,si x H, entonces existe un punto x H tal que d i (x) d i (x ). Por lo tanto: n f n P (x) = G i ( d i (x) ) f G i ( d i (x ) )=P (x ) i=1 Entonces al menos una solución óptima se encuentra en H, si existe alguna. Veamos que el valor óptimo se alcanza y por consiguiente el problema tiene solución. Si w es de tipo discreto, es evidente que la función objetivo P (x) toma un número finito de valores y en consecuencia se alcanza un valor máximo. Si w fuese absolutamente continua, las funciones G i serían continuas y por lo tanto se alcanzaría un valor máximo en H, que es un conjunto compacto. Sea Ω el espacio muestral de la variable aleatoria w. PorA denotaremos un suceso en dicho espacio. A cada punto x R 2 le asociaremos el suceso A(x, f) = {w = (w 1,w 2,...,w n ) Ω : w i d i (x) f,i = 1, 2,..., n} (ver figura??). Si definimos la familia de sucesos Ω f = {A(x, f) :x R 2 }, el problema (C f ) equivale a encontrar un suceso en dicha familia que tenga probabilidad máxima. Para buscar tal suceso, podemos descartar aquellos que no sean maximales respecto de la relación de inclusión. Sea A Ω f, definimos los valores w i (A) =sup{w i : w =(w 1,.., w i,.., w n ) A}, i =1, 2,...,n, y el conjunto X(A, f) ={x R 2 : A(x, f) =A}. Denotemos por B(p i,r) la bola de centro p i y radio r, es decir B(p i,r)={y R 2 : d i (y) r}. Entonces, tenemos la siguiente caracterización de suceso maximal. i=1 Fig 1: Sucesos A(x, f) enω
11 B. Pelegrín 189 Teorema 5 Sea A Ω f, entonces: i) X(A, f) i=1,n B(p f i, w ) i(a) ii) A es maximal si y sólo si X(A, f) = i=1,n B(p i, f w i(a) ) Demostración: i)si x X(A, f), entonces w i d i (x) f,i =1, 2,..., n, w A, por lo tanto w i (A)d i (x) f,i =1,...,n, lo que implica que x i=1,n B(p f i, w i(a) ). Por consiguiente : X(A, f) i=1,n B(p f i, w ). i(a) ii)sea A maximal. Si x i=1,n B(p f i, w ), entonces w i(a) i(a)d i (x) f,i = 1, 2,..., n, de donde se deduce que w i d i (x) f,i = 1, 2,..., n, w A ypor consiguiente A A(x, f). Como A es maximal, resulta que A = A(x, f),porlo tanto x X(A, f). En consecuencia, i=1,n B(p f i, w i(a) ) X(A, f). Si tenemos en cuenta i), resulta que la inclusión anterior es una igualdad. Recíprocamente, supongamos que se da la igualdad. Si A A Ω f, tomemos un punto x tal que A(x, f) =A, entonces tiene que cumplirse que w i d i (x) f,i =1, 2,..., n, w f w i(a) A, y en particular w A. Por lo tanto x i=1,...,n B(p i, )=X(A, f), lo que significa que A(x, f) =A. Por consiguiente A = A, es decir A es maximal. Teorema 6 Si la variable aleatoria w es discreta, X(C f ) es la unión de un número finito de conjuntos que son intersecciones de bolas centradas en los puntos de demanda. Demostración: Si w es discreta, habrá unnúmero finito de sucesos maximales con probabilidad máxima. Las localizaciones correspondientes a dichos sucesos son las óptimas. Por el teorema anterior, dichas localizaciones son los puntos intersección de bolas centradas en los puntos de demanda. Como vemos, los conjuntos de soluciones óptimas del problema (C f ) son de f w i(a) la forma X(A, f) = i=1,n B(p i, ), donde A es algún suceso maximal. Los sucesos maximales en Ω f vienen determinados por puntos de Ω que son maximales en el orden natural de R n (los puntos w(a) =(w 1 (A),..., w n (A))). El elemento maximal correspondiente al suceso Ω es w(ω) = b =(b 1,b 2,..., b n. Resolviendo el problema(p b ) de la sección 3, se obtiene que si fb f entonces v(c f )=1y X(C f )= i=1,n B(p i, f b i ). Para valores de f menores que fb, el valor óptimo de (C f ) es menor que la unidad, siempre que la variable w tenga probabilidad positiva en un entorno del punto b. Por otro lado, si tomamos el elemento minimal del espacio muestral a =(a 1,a 2,..., a n, podemos resolver el siguiente problema: (P a )mín F a(x) = máx {a id i (x)} (8.6) x R 2 1 i n Su solución óptima la denotaremos por x a y su valor óptimo por fa. El valor óptimo de (C f ) es positivo si fa f, mientras que v(c f )=0sif<fa, en cuyo
12 190 Localización Minimax con Incertidumbre caso todos los puntos del plano son soluciones óptimas. Así pues, si descartamos los dos casos anteriores, queda por resolver (C f ) para fa f<fb. Si la variable w es discreta, para resolverlo se puede realizar un proceso de exploración de sucesos maximales según se indica a continuación. Para valores de f próximos a fb, los sucesos maximales de Ω f corresponden a los elementos de Ω que preceden en el orden natural de R n al punto b. Estos elementos son los puntos pb(i) =(b 1,.., pb i,.., b n ),i=1,..., n, donde pb i es el valor inmediatamente anterior a b i que toma la variable w i. Para cada uno de ellos se resuelve el problema (P) tomando w = pb i. Sea fpb i su valor óptimo. Si fpb i f, entonces el suceso A i = {w Ω:w pb i inω f } y es maximal. Entre los sucesos maximales de Ω f seleccionaremos los de probabilidad máxima, a los que nos referiremos por A k. Entonces el conjunto de soluciones óptimas de (C f ) vendrá dado por la unión de los conjuntos X(A k,f). Si f<fpb i, habrá que seguir el proceso de búsqueda con los siguientes elementos de Ω que preceden a pb i.. Mediante este proceso de inspección, podemos encontrar todas las soluciones óptimas, como se ilustra con el siguiente ejemplo. Ejemplo 1: Sean p 1 =(2, 1), p 2 =(3 1 2, )yp 3 =(5, 2). Supongamos que las variables aleatorias w 1,w 2 y w 3 tienen una distribución de probabilidad de Bernouilli, con parámetros 1 2, 3 5 y 2 5 respectivamente. La distancia viene medida por la norma ell 2. El espacio muestral es Ω = {w 1 =(0, 0, 0),w 2 = (1, 0, 0),w 3 =(0, 1, 0),w 4 =(0, 0, 1),w 5 =(1, 1, 0),w 6 =(1, 0, 1),w 7 =(0, 1, 1),w 8 = (1, 1, 1)}. Comenzamos resolviendo el problema (P b ), donde ahora b es w 8. La solución se obtiene mediante el Algoritmo 3 y viene dada por x w =(3, 3), que corresponde 8 al circuncentro del triángulo que determinan los puntos p i. El valor óptimo es fw =2, Por consiguiente, para f 2, 2361, el conjunto de soluciones 8 óptimas es X(C f )= i=1,2,3 B(p i,f)yv(c f )=1. Para f<fw, los sucesos maximales de Ω 8 f corresponden a los puntos : pb 1 = w 7, pb 2 = w 6 y pb 3 = w 5. Las soluciones óptimas de los problemas (P pbi ), i =1, 2, 3, son respectivamente: x w =( , ),x w =(7 6 2, 3 2 ),x w =( , ) y sus valores óptimos son: fw =2, ,f w 6 =1.5811,f w5 =2, 0659 Las probabilidades de los correspondientes sucesos maximales son: P r (A 1 )=P r (w 1 =0)=0, 5,P r (A 2 )=P r (w 2 =0)=0, 4,P r (A 3 )=P r (w 3 =0)=0, 6. Si f w 5 f < f w 8, el suceso de máxima probabilidad es A 3, por lo tanto el conjunto de soluciones óptimas es X(C f )= i=1,2 B(p i,f)yv(c f )=0, 6.
13 B. Pelegrín 191 Para f<fw, los sucesos maximales de Ω 5 f corresponden a los puntos w 6 y w 3, que son los que dominan a los otros predecesores de w 5 y w 7 en el orden natural de R 3. El suceso que corresponde a w 6 es A 2, que ya ha sido considerado. El que corresponde a w 3 lo denotamos por A 4 y su probabilidad es P r (A 4 )=P r (w 1 = 0, w 2 =0)=0, 3. La solución óptima de (P w 3)esx w = p 3 2 y su valor óptimo es fw =0. Sif 3 w f<f 6 w, el suceso de máxima probabilidad es A 5 2, por lo que el conjunto de soluciones óptimas es X(C f )= i=1,3 B(p i,f)yv(c f )=0, 4. Para f<fw los sucesos maximales de Ω 6 f corresponden a los puntos w 4, w 3 y w 2. La solución óptima de (P w 4)esx w = p 4 3 y su valor óptimo es fw =0. El 4 correspondiente suceso maximal es A 5 y su probabilidad es P r (A 5 )=P r (w 1 = 0, w 2 =0)=0, 2. Para w 2 se obtiene x w = p 2 1 y fw = 0. El correspondiente 2 suceso maximal es A 6 y su probabilidad es P r (A 6 )=P r (w 2 =0, w 3 =0)=0, 24. Como vemos el suceso de máxima probabilidad es A 4, por lo tanto si 0 f<fw 6 entonces X(C f )=B(p 2,f)yv(C f )=0, 3. Si la variable w es absolutamente continua, no se puede aplicar el proceso de enumeración antes descrito. La función objetivo P (x) es continua, pero no es cóncava (ni convexa), por lo que en este caso habrá que utilizar étécnicas de Optimización Global para resolver (C f ). Algunos algoritmos basados en estas técnicas que pueden usarse para su resolución pueden verse en [21, 22, 6, 10, 12].Ilustraremos este caso con un ejemplo sencillo. Ejemplo 2 : Sean p 1 =(0, 0), p 2 =(7, 0). Supongamos que las variables aleatorias w 1 y w 2 toman valores en el intervalo (0, 1) con las funciones de distribución : G 1 (w 1 )=w1 2 y G 2 (w 2 )=w 2. Por el teorema 4, una solución óptima se encuentra en H = [p 1,p 2 ]. Los puntos de este segmento son de la forma x =(a, 0), 0 a 7, por lo que la función objetivo de (C f ) en tales puntos podemos expresarla tomando a como argumento. Dicha función es: (f/a) 2 (f/(7 a)) si f < a< 7 f (f/a) P (a) = 2 si f < a, 7 f a (f/(7 a)) si a f,a< 7 f 1 si 7 f a f Está claro que P (a) puede tomar el valor 1 si 7 f f. Esto sucede si 7 2 f, en cuyo caso el subintervalo de [p 1,p 2 ] correspondiente a los valores de a en [7 f,f] es un conjunto de localizaciones óptimas. Si f< 7 2, resulta sencillo comprobar que el valor máximo de P (a) es y se alcanza para a = f. f 7 f 5 El criterio de la restricción de incertidumbre Cuando se trata de servicios de emergencia, es importante que el valor f, que se fija para usar el criterio de la sección anterior, sea lo más pequeño posible. En tal caso, como la probabilidad máxima de cubrimiento es no decreciente con
14 192 Localización Minimax con Incertidumbre f,podría ocurrir que dicha probabilidad fuese muy pequeña. Ello nos lleva a fijar una probabilidad mínima α para cubrimiento y buscar una localización que minimice el valor f condicionado a la misma. Es decir, habría que resolver el siguiente problema: (R α )mín{f : P r [F (x, w) f] α, x R 2,f 0} (8.7) Denotemos por v(r α )yx(r α ) respectivamente al valor óptimo y al conjunto de localizaciones óptimas del problema (R α ) Teorema 7 v(r α )=f α siysólo si v(c f ) <α, f <f α y v(c f ) α, f > f α. Demostración: Sea v(r α )=f α. Si f < f α, entonces P r [F (x, w) f] <α, x R 2. Como el valor máximo del problema (C f ) se alcanza, resulta que v(c f ) <α.si f>f α, debe haber algún punto ˆx tal que P r [F (ˆx, w) f] α, por consiguiente v(c f ) α. Recíprocamente, supongamos que para un valor f α se verifican las desigualdades. Entonces no existe ningún x R 2 tal que P r [F (x, w) f] α si f<f α, mientras que ocurre lo contrario si f>f α. por lo tanto v(e α )=f α. Si definamos la función ϕ(f) =v(c f ), del teorema anterior resulta que el problema (R α ) lo podemos expresar de la siguiente forma: (R α )mín{f : ϕ(f) α, f 0} (8.8) Este es un problema de optimización unidimensional sencillo de resolver si se conociese la función ϕ(f). En efecto, el valor óptimo fα es el menor valor de f para el que ϕ(f) α y el conjunto de localizaciones óptimas viene dado por X(R α )=x R 2 : P r [A(x, fα)] α. Vamos a ver que propiedades tiene la función ϕ(f) y la relación entre las soluciones óptimas de (R α )y(c f ). Teorema 8 Si w es discreta, entonces: i) Existe un número finito de valores f 0 =0<f 1 <f 2 <...<f k tales que: ϕ(f) =ϕ(f h ), si f h f<f h+1 donde ϕ(f k )=1y f k+1 =. ii) X(R α ) X(C fh ) si ϕ(f h 1 ) <α ϕ(f h ) y X(R α )=X(C fh ) si y estos conjuntos son iguales si α = ϕ(f h ). Demostración: i)para cada valor f, denotemos por Ω f a la familia formada por los sucesos de Ω f que tienen probabilidad máxima. Si A Ω f, entonces X(A, f) es un conjunto de soluciones óptimas del problema (C f ). Sea Ω = {A : A Ω f,f 0}, este
15 B. Pelegrín 193 conjunto está formado por un número finito de sucesos. Sean α 0 <α 1 <α 2 <... < α k las diferentes probabilidades de realización de tales sucesos. Si A Ω, el conjunto X(A, f) esnovacío si f f A, donde por simplicidad denotamos por f A al valor óptimo del problema (P ) tomando como coeficientes de las distancias los valores w i (A), i =1,..., n. Sea f h =mín{f A : A Ω,P r (A) =α h },h = 0, 1, 2,..., k, donde P r (A) es la probabilidad del suceso A. Como la probabilidad es no decreciente con f se verifica que f 0 =0<f 1 <f 2 <... < f k.sif h f<f h+1, tendremos que X(A, f) esnovacío para algún suceso A tal que P r (A) =α h y X(A, f) es vacío para cualquier suceso con probabilidad mayor, por lo que ϕ(f) =α h. Como Ω es maximal para valores de f suficientemente grandes resulta que ϕ(f) =1sif f k. ii)si x X(C fh ) entonces P r [F (x, w) f h ] = ϕ(f h ) α, por lo tanto x X(R α ). Si α = ϕ(f h ), resulta que x X(R α )sip r [F (x, w) f h ] ϕ(f h ). Como está desigualdad no puede ser estricta, el suceso A(x, f h ) tiene probabilidad máxima y x X(C fh ). Un procedimiento de resolver R α, cualquiera que sea el valor de α, consiste en resolver previamente los problemas (C f ), con objeto de determinar la función ϕ(f) =v(c f ). Una vez obtenida esta función, podemos encontrar el valor óptimo fα según se ha indicado. Las localizaciones óptimas las encontraremos a partir de los sucesos A(x, fα) con probabilidad mayor o igual que α. Vamos a resolver R α para el ejemplo 1. Según se vio en la sección 3, la función ϕ(f) viene dada por la siguiente expresión: 0, 3 si 0 f< , 4 si f<2, 0659 ϕ(f) = 0, 6 si 2, 0659 f<2, si 2, 2361 f Los valores óptimos de los problemas (R α ) vienen reflejados en la Tabla 8.1. Las localizaciones óptimas para los diferentes valores de α, las obtendremos siguiendo un orden de probabilidad descendente. Para 0, 6 <α 1, únicamente el suceso A = Ω tiene una probabilidad superior a igual a α, por lo que la solución es el punto x w. Para 0, 5 <α 0, 6, sólo el suceso A tal que w(a) =w 5 8 tiene probabilidad superior, o igual, a igual a α, por lo que la solución es x w. 5 Para 0.4 <α 0, 5, los sucesos correspondientes a w(a) =w 5 y w(a) =w 7 son los únicos con probabilidad superior o igual a α, por lo que hay dos soluciones óptimas x w y x 5 w. Siguiendo este proceso se obtiene la Tabla 8.2 que muestra 7 los resultados para todos los valores de α. Obsérvese que para resolver (R α )no es necesario resolver (C f ) para todos los valores de f, sino sólo para aquellos que verifican ϕ(f) α. Teorema 9 Si w es absolutamente continua, entonces:
16 194 Localización Minimax con Incertidumbre Tabla 8.1: Valores óptimos para (R α ) en el ejemplo 1 α v(r α ) 0, 6 <α 1 2, , 4 <α 0, 6 2, , 3 <α 0, <α 0, 3 0 Tabla 8.2: Localizaciones óptimas para (R α ) en el ejemplo 1 α X(R α ) 0, 6 <α 1 x w 8 0, 5 <α 0, 6 x w 5 0, 4 <α 0, 5 x w,x 5 w 7 0, 3 <α 0, 4 x w 6 0, 24 <α 0, 3 p 2 0, 2 <α 0, 24 p 1,p 2 0, 12 <α 0, 2 p 1,p 2,p 3 0 <α 0, 12 R 2 i) ϕ(f) es continua. ii) X(R α )=X(C f α ). Demostración: i) Sea f h f. Por el teorema 4, para cada f h existirá un punto x h en H que es solución óptima de C fh. Como H es compacto, la sucesión x h contendrá una subsucesión x k convergente a un punto x H. Entonces: lim fk f ϕ(f k )=lim fk f G xk (f k )=G x (f) ϕ(f) Por otra parte, si x es una solución óptima de C f se verifica que G x (f k ) ϕ(f k ), por lo que: lim fk f ϕ(f k ) lim fk f G x (f k )=G x (f) =ϕ(f) Por consiguiente lim fk f ϕ(f k )=ϕ(f), y como la función ϕ es monótona también se verifica que lim fh f ϕ(f h )=ϕ(f). ii) Como ϕ(f) es continua se verifica que ϕ(fα)=α. Entonces x X(Cf α ) equivale a que P r [F (x, w) f α ] α y esto a su vez equivale a que x X(R α ). Para el ejemplo 2 la función ϕ(f) viene dada por: { f ϕ(f) = 7 f si 0 f<3, 5 1 si 3, 5 f
17 B. Pelegrín 195 Es fácil comprobar que v(r α )= 7α 1+α y que este valor se alcanza en x =( 7α 1+α, 0). 6 Conclusiones y líneas futuras de investigación Se ha presentado y analizado un modelo general para la localización de un centro con criterio minimax cuando se presenta incertidumbre en los coeficientes de las distancias. En lugar de tratar algún caso concreto, como en la mayoría de las referencias citadas, se han considerado variables aleatorias con distribuciones de probabilidad arbitrarias, lo que permite abordar un gran número de situaciones. El modelo se ha analizado para tres criterios de decisión en situación de incertidumbre. Para cada uno de ellos se han obtenido propiedades fundamentales, en base a las cuales es posible desarrollar distintos procedimientos de resolución. Para el criterio del valor esperado, su resolución es posible mediante técnicas de Programación Convexa, si bien el cálculo de la función objetivo requiere una gran cantidad de recursos computacionales. Para el criterio del máximo cubrimiento en probabilidad, en general es necesario usar técnicas de Optimización Global, pero también se pueden desarrollar procedimientos de enumeración si las variables aleatorias son discretas. El criterio de la restricción de incertidumbre se basa en el anterior y precisa por tanto de los mismos procedimientos. El desarrollo de algoritmos eficientes que permitan resolver problemas de tamaño real constituye la principal línea de investigación en el estudio de cada uno de los problemas que se han presentado. Esto conduce a tener que especificar las distribuciones de probabilidad de las mencionadas variables, de manera que tales algoritmos habrá que diseñarlos de forma adecuada para cada caso concreto. 7 Bibliografía [1] Handler GY and Mirchandani PB (1979), Location on Networks: Theory and Algorithms. MIT Press. [2] Mirchandani PB and Francis RL (1990) Discrete Location Theory. John Wiley & Sons. [3] Daskin M.S. (1995) Network and Discrete Location: Models, Algorithms and Applications. John Wiley & Sons, New York. [4] Drezner Z (1995) Facility Location: A Survey of Applications and Methods. Springer Verlag. [5] Drezner Z and Hamacher HW (2002) Facility Location: Applicationsand Theory. Springer Verlag.
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