Consulta de Guías Docentes



Academic Year/course: 2022/23

625 - Bachelor's Degree in Industrial Processes' Data Engineering

29508 - Optimization Theory


Syllabus Information

Academic Year:
2022/23
Subject:
29508 - Optimization Theory
Faculty / School:
175 - Escuela Universitaria Politécnica de La Almunia
Degree:
625 - Bachelor's Degree in Industrial Processes' Data Engineering
ECTS:
6.0
Year:
2
Semester:
First semester
Subject Type:
Basic Education
Module:
---

1. General information

1.1. Aims of the course

The course includes various quantitative techniques aimed at decision making in the field of logistics and production management. The development of these techniques focuses on theoretical issues and manly on their practical application.The modeling of real problems and their resolution through optimization theory introduces the student to the decision making process.
It is intended that the student is able to identify, analyze, formulate and solve real decision problems related to the organization and management of production systems.It will be essential that the student acquires the ability to determine the best strategy in order to optimize a system and know how to make decisions based on the solution of a problem.

A practical character is pursued in the course, being essential the resolution of problems and the handling of basic computer tools for the development of the proposed subjects.

These approaches and objectives are in line with the following Sustainable Development Goals (SDGs) of the United Nations 2030 Agenda (https://www.un.org/sustainabledevelopment/), in such a way that the acquisition of the course learning outcomes provides training and competence to contribute to their achievement to some degree:

  • ODS 8. Decent work and economic growth.
  • ODS 12. Responsible consumption and production.

1.2. Context and importance of this course in the degree

The subject referred to in this teaching guide is mandatory and forms part of the basic training of students. It fits into the second year of the curriculum of the Degree in Data Engineering, which means that the student has acquired training in learning outcomes in Mathematics I, Mathematics II. In addition, the optimization theory provides skills in tools that will be useful in different subjects of later courses.

Almost all the professional outputs in management engineering, involve decision-making processes, in addition to requiring a certain skill in the knowledge of basic mathematical models. For all these reasons, basic training in the "science of decisions" is necessary. The optimization theory has had an impressive impact on improving the efficiency of numerous and diverse organizations around the world. One could cite their contributions to the problems of production, the efficient use of materials and reliability of them, basic research and the development of new products. As in the other sciences, Operations Research becomes a key tool for engineers, since it allows them to understand phenomena subject to variations and predict or control them effectively.

1.3. Recommendations to take this course

It is recommended that the student possess basic knowledge of Linear Algebra and basic notions of Statistics. It is also highly valuable that you are familiar with the use of symbolic and numerical calculation programs.

2. Learning goals

2.1. Competences

CG03 - Apply techniques for the acquisition, management and processing of data in Engineering.
CG06 - Build solutions derived from data analysis that optimize production processes in industry
CB2 - That students know how to apply their knowledge to their work or vocation in a professional way and have the
competences that are usually demonstrated through the elaboration and defense of arguments and the resolution of problems within
your area of ​​study
CB4 - That students can transmit information, ideas, problems and solutions to both specialized and non-specialized audiences
specialized
CB5 - That students have developed those learning skills necessary to undertake further studies
with a high degree of autonomy
CT03 - Search, select and manage information and knowledge responsibly.
CT04 - Develop critical thinking and reasoning.
CT05 - Effective communication of results.
CT07 - Analyze and solve problems autonomously, adapt to unforeseen situations and make decisions
CE04 - Solve mathematical problems that may arise in engineering.

2.2. Learning goals

  • Learn the basics necessary to solve mathematical problems that can arise in Linear Algebra; Graphic Schema Theory; Differential and Integral Calculus, Numerical Methods and optimization.
  • Know the reflective use of symbolic and numerical calculation tools
  • Know the optimization techniques associated with linear and non-linear problems.
  • Possess skills of scientific-mathematical thinking, which allow them to ask and answer certain mathematical questions.
  • Have the ability to handle mathematical language; in particular, symbolic and formal language.

2.3. Importance of learning goals

The Optimization Theory is a way of approaching decision making, which is based on the scientific method and uses quantitative analysis. It applies to problems that refer to the conduct and coordination of activities within an organization. It has been widely applied in areas as diverse as transportation, manufacturing, or utilities, to name a few. The formulation of the problem, the construction of a mathematical model that summarizes the essence of the real problem, and the validity of said model are fundamental aspects in the optimization of resources. Justifying the chosen model and the resolution technique used given an optimization problem is what validates the result itself and allows the improvement of the system. On the other hand, it is essential not only to know how to formulate a problem and solve it, but also to express the final solution in a language understandable by the group of people whose function is to implement the proposed solution to said model.

3. Assessment (1st and 2nd call)

3.1. Assessment tasks (description of tasks, marking system and assessment criteria)

Main Exams:
Throughout the course there will be two main exams. They will cover theoretical and/or practical aspects of the subject. Its weight in the qualification is 80%.

The written tests will assess:

- understanding of mathematical concepts used to solve problems

- the use of efficient strategies and procedures in its resolution

- clear and detailed explanations

- the absence of mathematical errors in the development and solutions

- correct use of terminology and notation

- orderly, clear and organized exposition

Participatory controls:

Throughout the course the student will carry out 4 participatory controls valued at 5% of the final grade, which will consist of carrying out practical exercises.

In the participatory controls, the following will be evaluated:

- understanding of mathematical concepts used to solve problems

- the use of efficient strategies and procedures in its resolution

- clear and detailed explanations

- the absence of mathematical errors in the development and solutions

- correct use of terminology and notation

- orderly, clear and organized exposition

Overall evaluation.

Students who have not passed the subject with the continuous grading system must take a mandatory written test in official calls equivalent to the written tests and participatory controls described in points 1 and 2, whose weight in the final grade will be 100%.

4. Methodology, learning tasks, syllabus and resources

4.1. Methodological overview

The learning process that has been designed for this subject is based on the following:

The course is designed as an introduction to optimization theory and an approach to system simulation and decision making. It is included within the basic training credits of an engineer. Essential contents of operational research are collected, such as linear programming, multi-criteria decision techniques or dynamic programming.

The course has a clearly practical focus, as optimization theory is an applied subject within the field of Engineering.

The approach, methodology and assessment of this guide are intended to be the same for any teaching scenarios. They will be adapted to the social-health situation at any particular time, as well as to the instructions given by the authorities concerned.

4.2. Learning tasks

The subject is articulated with 4 hours of face-to-face class per week during the 15 weeks that the semester lasts. All hours are taught in the computer room, theoretical concepts are taught that are reinforced with practical work through the use of statistical analysis programs.

4.3. Syllabus

  • Introduction to optimization: Phases of an optimization study: Analysis and definition of the problem, formulation, solution and validation of the model, implementation of the solution. Characteristics of an optimization problem: Objective, Variables, constraints, data, solution.
  • Linear programming: Formulation of the Linear Programming Problem (PPL), graphical solution of the PPL, canonical form and standard form. Basic matrix, optimal basic program. Simplex algorithm. Method of penalties, method of the two phases. The dual problem: formulation, production programming and shadow prices. Sensitivity analysis: availability vector, cost vector, introduction of a new activity, introduction of a new restriction.
  • Integer Programming: Binary, integer and mixed integer programming. Branching and bounding techniques. Auxiliary variables in PPL: Selection of restrictions. Functions with m possible values. Selection of continuous variables. Fixed cost problem.
  • Non-linear programming: Local and global optimum. quadratic programming. Karush-Kuhn-Tucker (CKKT) conditions. Qualification conditions. Convex set, convex function, convex programming. Numerical methods: SQP algorithm.
  • Multi-criteria decision: Attribute, objective, level of aspiration, goal, criterion. Efficient or pareto optimal alternative. efficient set. Payment matrix. Weighting method. Method of the e restrictions. Commitment programming. Satisfying methods: programming by weighted goals, minimax, lexicographical.
  • Dynamic programming: The diligence problem. Bellman's optimality principle. Optimization by phases or sequences. Assignment problems. The backpack problem. Resource allocation. Continuous dynamic programming.

4.4. Course planning and calendar

The contents will be developed throughout the 15 school weeks with the following weights:

1. Operations Research Methodology. 0.5-1.5 credits

2. Linear optimization problems 2.5-3.5 credits

3. Nonlinear optimization problems 1-2 credits

4. Multi-criteria decision techniques 0.5-1.5 credits

5. Dynamic programming: 0.5- 1 credits

4.5. Bibliography and recommended resources

http://psfunizar10.unizar.es/br13/egAsignaturas.php?codigo=29508


Curso Académico: 2022/23

625 - Graduado en Ingeniería de Datos en Procesos Industriales

29508 - Teoría de la optimización


Información del Plan Docente

Año académico:
2022/23
Asignatura:
29508 - Teoría de la optimización
Centro académico:
175 - Escuela Universitaria Politécnica de La Almunia
Titulación:
625 - Graduado en Ingeniería de Datos en Procesos Industriales
Créditos:
6.0
Curso:
2
Periodo de impartición:
Primer semestre
Clase de asignatura:
Formación básica
Materia:
Materia básica de grado

1. Información Básica

1.1. Objetivos de la asignatura

La asignatura recoge diversas técnicas cuantitativas encaminadas a la toma de decisiones en el ámbito de la logística y la producción. El desarrollo de estas técnicas se presenta al alumno con la mayor simplificación del aparato matemático posible, incidiendo  en los aspectos aplicados.

La modelización de problemas reales y su  resolución mediante la teoría de la optimización introduce al alumno en la toma de decisiones.

Se persigue que el alumno sea capaz de identificar, analizar, formular y resolver problemas reales de decisión relacionados con la organización y gestión de sistemas productivos.

Será fundamental que el alumno adquiera la capacidad para determinar la mejor estrategia de actuación con el fin de mejorar el funcionamiento de un sistema y saber tomar decisiones a partir de la solución de un problema.

Se persigue un carácter práctico en el curso, donde prima la resolución de problemas y el manejo de herramientas informáticas básicas sobre el desarrollo exhaustivo de contenidos matemáticos relacionados con los temas propuestos.

Estos planteamientos y objetivos están alineados con los siguientes Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) de la Agenda 2030 de Naciones Unidas (https://www.un.org/sustainabledevelopment/es/), de tal manera que la adquisición de los resultados de aprendizaje de la asignatura proporciona capacitación y competencia para contribuir en cierta medida a su logro:

  • ODS 8. Trabajo decente y crecimiento económico.
  • ODS 12. Producción y consumo responsables.

1.2. Contexto y sentido de la asignatura en la titulación

La asignatura a la que se refiere esta guía docente es obligatoria y forma parte de la formación básica de los estudiantes. Se encuadra en el segundo curso del plan de estudios del Grado de Ingeniería de Datos en Procesos Industriales, lo que supone que el estudiante ha adquirido formación en los resultados de aprendizaje en la asignatura Matemáticas I y Matemáticas II. Además, la Teoría de la optimización proporciona destrezas en herramientas que serán de utilidad en distintas asignaturas de cursos posteriores.

Casi todas las salidas profesionales de un ingeniero o ingeniera, involucran procesos de tomas de decisiones, además de requerir una cierta destreza en el conocimiento de modelos matemáticos básicos. Por todo ello, es necesaria una formación básica en la "ciencia de las decisiones": la Teoría de la optimización. La optimización ha tenido un impacto impresionante en la mejora de la eficiencia de numerosas y diversas organizaciones en todo el mundo. Se podrían citar sus aportaciones a los problemas de producción, al uso eficiente de materiales y fiabilidad de los mismos, a la investigación básica y al desarrollo de nuevos productos. Como en las demás ciencias, la Teoría de la optimización viene a ser una herramienta vital para los ingenieros, ya que les permite comprender fenómenos sujetos a variaciones y predecirlos o controlarlos de forma eficaz.

1.3. Recomendaciones para cursar la asignatura

Es recomendable que el estudiante posea conocimientos básicos de Álgebra Lineal y nociones básicas de Estadística. Asimismo es altamente valorable que este familiarizado con el uso de programas de cálculo simbólico y numérico.

2. Competencias y resultados de aprendizaje

2.1. Competencias

CG03 - Aplicar técnicas para la adquisición, gestión y tratamiento de datos en la Ingeniería.
CG06 - Construir soluciones derivadas del análisis de datos que optimicen los procesos de producción en la industria
CB2 - Que los estudiantes sepan aplicar sus conocimientos a su trabajo o vocación de una forma profesional y posean las
competencias que suelen demostrarse por medio de la elaboración y defensa de argumentos y la resolución de problemas dentro de
su área de estudio
CB4 - Que los estudiantes puedan transmitir información, ideas, problemas y soluciones a un público tanto especializado como no
especializado
CB5 - Que los estudiantes hayan desarrollado aquellas habilidades de aprendizaje necesarias para emprender estudios posteriores
con un alto grado de autonomía
CT03 - Buscar, seleccionar y gestionar de manera responsable la información y el conocimiento.
CT04 - Desarrollar un pensamiento y un razonamiento crítico.
CT05 - Comunicación de resultados de manera efectiva.
CT07 - Analizar y solucionar problemas de forma autónoma, adaptarse a situaciones imprevistas y tomar decisiones
CE04 - Resolver problemas matemáticos que puedan plantearse en la ingeniería.

2.2. Resultados de aprendizaje

  • Aprender las bases necesarias para resolver problemas matemáticos que pueden plantearse en Álgebra Lineal; Teoría de grafos; Cálculo Diferencial e Integral, Métodos Numéricos y optimización.
  • Conocer el uso reflexivo de herramientas de cálculo simbólico y numérico
  • Conocer las técnicas de optimización asociado a problemas lineales y no lineales.
  • Poseer habilidades propias del pensamiento científico-matemático, que le permiten preguntar y responder a determinadas cuestiones matemáticas.
  • Tener destreza para manejar el lenguaje matemático; en particular, el lenguaje simbólico y formal.

2.3. Importancia de los resultados de aprendizaje

La Teoría de la optimización es una manera de abordar la toma de decisiones, que se basa en el método científico y que utiliza el análisis cuantitativo. Se aplica a problemas que se refieren a la conducción y coordinación de actividades dentro de una organización. Se ha aplicado de manera extensa en áreas tan diversas como el transporte, la producción o los servicios públicos, por nombrar algunas. La formulación del problema, la construcción de un modelo matemático que resuma la esencia del problema real, y la validez de dicho modelo son aspectos fundamentales en la optimización de recursos. Justificar el modelo elegido y la técnica de resolución empleada dado un problema de optimización, es lo que da validez al propio resultado y permite la mejora en el sistema. Por otra parte es fundamental no solo saber formular un problema y resolverlo sino también expresar la solución final en un lenguaje comprensible por el grupo de personas que tienen como función implementar la solución propuesta a dicho modelo. 

3. Evaluación

3.1. Tipo de pruebas y su valor sobre la nota final y criterios de evaluación para cada prueba

Pruebas escritas:

A lo largo del curso se realizarán dos pruebas escritas. Versaran sobre aspectos teóricos y/o prácticos de la asignatura. Su peso en la calificación es del 80%. 

En las pruebas escritas se evaluará:

- el entendimiento de los conceptos matemáticos usados para resolver los problemas

- el uso de estrategias y procedimientos eficientes en su resolución

- explicaciones claras y detalladas

- la ausencia de errores matemáticos en el desarrollo y las soluciones

- uso correcto de la terminología y notación

- exposición ordenada, clara y organizada

 

Controles participativos:

A lo largo del curso el alumno realizara 4 controles de tipo participativo valorados en un 5% de la nota final, que consistirán en la realización de ejercicios de tipo práctico. 

En los controles participativos se evaluará:

- el entendimiento de los conceptos matemáticos usados para resolver los problemas

- el uso de estrategias y procedimientos eficientes en su resolución

- explicaciones claras y detalladas

- la ausencia de errores matemáticos en el desarrollo y las soluciones

- uso correcto de la terminología y notación

- exposición ordenada, clara y organizada

 

Evaluación global.

Los alumnos que no hayan superado la asignatura con el sistema de calificación continuada, deberán realizar en las convocatorias oficiales una prueba escrita de carácter obligatorio equivalente a las pruebas escritas y los controles participativos descritos en el punto 1 y 2, cuyo peso en la nota final será del 100%.

4. Metodología, actividades de aprendizaje, programa y recursos

4.1. Presentación metodológica general

El proceso de aprendizaje que se ha diseñado para esta asignatura se basa en lo siguiente:

La asignatura está diseñada como una introducción a la teoría de la optimización y un acercamiento a la simulación de sistemas y toma de decisiones. Se engloba dentro de los créditos de formación básica de un ingeniero o ingeniera. Se recogen contenidos esenciales de investigación operativa como programación lineal, técnicas de decisión multicriterio o programación dinámica.

La asignatura tiene un enfoque claramente práctico al ser la Teoría de la optimización una materia de carácter aplicado dentro del ámbito de la Ingeniería.

El planteamiento, metodología y evaluación de esta guía está preparado para ser el mismo en cualquier escenario de docencia. Se ajustarán a las condiciones socio-sanitarias de cada momento, así como a las indicaciones dadas por las autoridades competentes.

4.2. Actividades de aprendizaje

La asignatura se articula con 4 horas de clase presencial a la semana durante las 15 semanas que dura el cuatrimestre. Todas las horas se imparten en el aula de informática, se imparten conceptos teóricos que son reforzados con el trabajo práctico mediante el uso de programas de análisis estadístico.

 

4.3. Programa

  • Introducción a la optimización: Fases de un estudio de optimización: Análisis y definición del problema, formulación, solución y validación del modelo, puesta en práctica de la solución. Características de un problema de optimización: Objetivo, Variables, restricciones, datos, solución.
  • Programación lineal: Formulación del Problema de programación lineal (PPL), solución gráfica del PPL, Forma canónica y forma standard. Matriz básica, programa básico óptimo. Algoritmo simplex. Método de las penalizaciones, método de las dos fases. El problema dual: formulación, programación de la producción y precios sombra. Análisis de sensibilidad: vector de disponibilidades, vector de costes, introducción de una nueva actividad, introducción de una nueva restricción.
  • Programación Entera: Programación binaria, entera y entera mixta. Técnicas de ramificación y acotación. Variables auxiliares en PPL: Selección de restricciones. Funciones con m valores posibles. Selección de variables continuas. Problema de costo fijo.
  • Programación no lineal: Óptimo local y global. Programación cuadrática. Condiciones de Karush-Kuhn-Tucker (CKKT). Condiciones de cualificación. Conjunto convexo, función convexa, programación convexa. Métodos numéricos: algortimo SQP.
  • Decisión multicriterio: Atributo, objetivo, nivel de aspiración, meta, criterio. Alternativa eficiente o pareto óptima. Conjunto eficiente. Matriz de pagos. Método de las ponderaciones. Método de las e restricciones. Programación compromiso. Métodos satisfacientes: programación por metas ponderadas, minimax, lexicográfica.
  • Programación dinámica: El problema de la diligencia. Principio de optimalidad de Bellman. Optimización por fases o secuencias. Problemas de asignación. El problema de la mochila. Asignación de recursos.  Programación dinámica continua.

4.4. Planificación de las actividades de aprendizaje y calendario de fechas clave

Los contenidos serán desarrollados a lo largo de las 15 semanas lectivas con los siguientes pesos:

1. Metodología de la Investigación Operativa. 0,5-1,5 créditos

2. Problemas de optimización lineales 2,5-3,5 créditos

3. Problemas de optimización no lineales 1-2 créditos

4. Técnicas de decisión multicriterio 0,5-1,5 créditos

5. Programación dinámica: 0.5- 1 créditos

4.5. Bibliografía y recursos recomendados

Puede consultarse la bibliografía en el siguiente enlace:

http://psfunizar10.unizar.es/br13/egAsignaturas.php?codigo=29508