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Optimización Estocástica: Decidir bajo Incertidumbre - Prof. Sean Steven Smith, Summaries of Natural Language Processing (NLP)

Esta lectura introduce el concepto de optimización estocástica, explicando cómo tomar decisiones en escenarios con incertidumbre. Se analiza la complejidad de los problemas estocásticos y se presentan ejemplos para ilustrar la aplicación de la optimización estocástica en la toma de decisiones empresariales. La lectura destaca la importancia de considerar el azar en la toma de decisiones y cómo la optimización estocástica puede ayudar a encontrar soluciones más eficientes.

Typology: Summaries

2023/2024

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Programación Estocástica
Lectura 01. Decidir bajo Incertidumbre, Optimización Estocástica
Fecha: 7 de Febrero de 2024
Decidir bajo Incertidumbre: Optimización Estocástica
La Optimización Estocástica busca la mejor decisión en un escenario dependiente
de sucesos aleatorios, dependientes del azar, ya sean esos sucesos los precios de
un producto, la duración de una tarea, el número de personas en la cola de un
cajero, el número de averías en una flota de camiones, o incluso la aprobación de
una normativa, vamos, cualquier cosa.
¿Estocástico? ¿Intentas asustarme?
“Estocástico” es una palabra especialmente temida, ya se sabe que la mayoría de
los lenguajes especializados se han hecho a mala idea, por expertos celosos que
quieren guardar sus secretos. Ahí tenemos el lenguaje jurídico, el económico, o más
cerca de nuestro trabajo, corre el rumor de que el creador del lenguaje C++ lo hizo
tan complicado para diferenciar a los buenos programadores de los malos. En
realidad, la palabra “estocástico” no es peligrosa, significa sencillamente aleatorio,
dependiente del azar. La idea es bastante sencilla, pero como adjetivo puede
complicar cualquier disciplina.
Problemas de Optimización Estocástica
Los problemas de optimización estocástica son en general mucho más complejos
que los que no consideran el azar, principalmente porque el azar implica que no
tenemos un solo escenario a optimizar, sino un conjunto de escenarios posibles.
Por ejemplo, si queremos optimizar el diseño de una red de distribución de energía,
trabajaremos en un escenario de incertidumbre, en el que desconocemos la
demanda real de energía en el momento de uso de la red. En lugar del dato de la
demanda tendríamos una estimación, quizás un conjunto finito de demandas
posibles con una probabilidad asociada. Con esto ya podemos intuir que el mundo
de la empresa está lleno de problemas estocásticos, ¿qué se suele hacer para
resolverlos?. En escenarios con decisiones sencillas, es decir pocas variables de
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Programación Estocástica

Lectura 01. Decidir bajo Incertidumbre, Optimización Estocástica Fecha: 7 de Febrero de 20 24

Decidir bajo Incertidumbre: Optimización Estocástica

La Optimización Estocástica busca la mejor decisión en un escenario dependiente de sucesos aleatorios, dependientes del azar, ya sean esos sucesos los precios de un producto, la duración de una tarea, el número de personas en la cola de un cajero, el número de averías en una flota de camiones, o incluso la aprobación de una normativa, vamos, cualquier cosa.

¿Estocástico? ¿Intentas asustarme?

“Estocástico” es una palabra especialmente temida, ya se sabe que la mayoría de los lenguajes especializados se han hecho a mala idea, por expertos celosos que quieren guardar sus secretos. Ahí tenemos el lenguaje jurídico, el económico, o más cerca de nuestro trabajo, corre el rumor de que el creador del lenguaje C++ lo hizo tan complicado para diferenciar a los buenos programadores de los malos. En realidad, la palabra “estocástico” no es peligrosa, significa sencillamente aleatorio, dependiente del azar. La idea es bastante sencilla, pero como adjetivo puede complicar cualquier disciplina.

Problemas de Optimización Estocástica

Los problemas de optimización estocástica son en general mucho más complejos que los que no consideran el azar, principalmente porque el azar implica que no tenemos un solo escenario a optimizar, sino un conjunto de escenarios posibles. Por ejemplo, si queremos optimizar el diseño de una red de distribución de energía, trabajaremos en un escenario de incertidumbre, en el que desconocemos la demanda real de energía en el momento de uso de la red. En lugar del dato de la demanda tendríamos una estimación, quizás un conjunto finito de demandas posibles con una probabilidad asociada. Con esto ya podemos intuir que el mundo de la empresa está lleno de problemas estocásticos, ¿qué se suele hacer para resolverlos?. En escenarios con decisiones sencillas, es decir pocas variables de

decisión y con pocos estados, se pueden enumerar explícitamente todas las posibilidades utilizando arboles de decisión que además son muy intuitivos. Decantándose por la decisión con mayor beneficio esperado. Por ejemplo, una señora se entera en la peluquería de que dan un 50% de probabilidad de lluvia y debe decidir si comprar o no comprar un paraguas de pésima calidad. Si compra el paraguas,

  • Si llueve (probabilidad 0.5) habrá gastado 5 euros en un paraguas de pésima calidad.
  • Si no llueve habrá gastado lo mismo 5 euros. Si no compra el paraguas,
  • Si llueve tendrá que volver a ir a la peluquería y pagar otros 7,5 euros.
  • Si no llueve no tiene que pagar ni un euro más. En conclusión, si compra el paraguas la pérdida esperada será de 5 euros y si no lo compra de 7.5 euros. Si la señora está en sus cabales debe comprar el paraguas… aunque a priori parezca un comportamiento pesimista y despilfarrador, sería el más acertado. Pero si el problema es más complicado, se acaba optando por simplificar, por ejemplo, usando el escenario esperado, o el escenario más probable, ya que éstos son deterministas y se pueden resolver usando optimización convencional. Por ejemplo, en el caso de la planificación de la red de distribución de energía podría fijarse la demanda a la estimación del INE, sin pararse a valorar el impacto que podría tener una caída o un aumento inesperado de la demanda. Otras veces para ahorrarse el dolor de cabeza directamente se simplifica el negocio, esto es lo que hizo Alejandro Magno con el famoso nudo Gordiano, o por poner un ejemplo más cercano y más contemporáneo, poner una caja más en un supermercado en vez de hacer una única cola. En muchos casos estas simplificaciones pueden llevar a tomar decisiones que no son las más acertadas.

¿Cómo redefinir la función objetivo?

La respuesta a esta pregunta es menos obvia, podríamos redefinir la función objetivo como el valor esperado de la función objetivo anterior, pero podría ser más interesante reducir el riesgo de la decisión utilizando el peor de los casos (dada una solución ¿qué es lo peor que puede pasar?). En general este tipo de problemas se han afrontado utilizando programación lineal. Por lo que también se habla de Programación Estocástica.

¿Qué tienen de complicado estos problemas?

La complejidad de estos problemas radica en su tamaño. Pensemos en la aparentemente inofensiva señora que sale de la peluquería. Supongamos que además deba decidir si ir en autobús o andando a hacer un recado. Cada nueva variable aleatoria (el estado del tráfico, una huelga, una manifestación, ¿a qué hora cerraba 20:00 o 20:30?) y cada nueva decisión (ir en autobús, ir dando un rodeo por zona de soportales) multiplica las posibilidades. En vez de considerar cuatro posibles resultados deberíamos considerar decenas o cientos. Si seguimos considerando elementos de incertidumbre que pueden amenazar a la señora, el número de posibles resultados aumentará exponencialmente. Volvamos ahora al problema de planificación de la red de distribución de energía, la demanda es aleatoria, los precios futuros de la energía son aleatorios, la producción de energía eólica es aleatoria, así como los precios de los combustibles. El resultado de cualquier decisión en este contexto dependerá de lo que ocurra con cada uno de esos sucesos aleatorios, ¡hay millones de escenarios posibles!. Por suerte para nosotros hay técnicas que permiten resolver estos problemas de forma más eficiente, Descomposición de Dantzig-Wolfe, Descomposición de Benders o Generación de Columnas, pero eso ya es tema para otro post.

Conclusión

La mayor parte de los problemas reales son de naturaleza estocástica, hay pocos negocios en que se conozcan todos los datos de antemano, no podemos seguir evitándolos, entonces… ¿por qué simplificar el problema y renunciar al uso de

optimización avanzada? La optimización estocástica nos puede permitir afrontar problemas que hasta ahora se han resuelto por “intuición”, por “sentido común”, o porque “de toda la vida se ha hecho así”, de una forma más eficiente, aportando soluciones que nos situarán en clara ventaja frente a nuestros competidores. Siempre merece la pena intentarlo. Fuente de la Lectura: https://decidesoluciones.es/optimizacion-estocastica/