GNU Octave ::: Desafios e Lista de Exercícios Resolvidos ::: Pesquisa Operacional

Exercício Resolvido de Octave - Programação Linear - Um fazendeiro decidiu misturar duas rações, a Ração X e a Ração Y. Cada porção de ração dada aos animais

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Pergunta/Tarefa:

Este exercício de Octave aborda o uso da função glpk() para resolver um problema de Pesquisa Operacional usando Programação Linear.

1) Um fazendeiro decidiu misturar duas rações, a Ração X e a Ração Y. Cada porção de ração dada aos animais exige 60g de proteína e 30g de gordura. A Ração X possui 15g de proteína e 10g de gordura, e custa R$ 80,00 a unidade. A Ração Y apresenta 20g de proteína e 5g de gordura e custa R$ 50,00 a unidade.

Quanto de cada ração deve ser usada para minimizar os custos do fazendeiro?

Sua saída deverá ser parecida com:

A solução para o problema de minimização é:

x = 2.40
y = 1.20

O custo mínimo é: 252.00
Resposta/Solução:

Antes de passarmos ao código Octave, vamos fazer a modelagem matemática do problema. O primeiro passo é identificar as variáveis. Assim, vamos chamar de x o número de unidades da Ração X e de y o número de unidades da Ração Y. Veja:

x = Número de unidades da Ração X
y = Número de unidades da Ração Y

E então temos a função custo:

custo = 80x + 50y

A primeira restrição diz respeito à quantidade de proteína em cada porção de ração. Sabendo que a Ração X apresenta 15g de proteína e a Ração Y apresenta 20g de proteína nós temos:

R1: 15x + 20y >= 60 (proteína)

A segunda restrição diz respeito à quantidade de gordura em cada porção de ração. Sabendo que a Ração X apresenta 10g de gordura e a Ração Y apresenta 5g de gordura nós temos:

R2: 10x + 5y >= 30 (gordura)

As restrições R3 e R4 dizem respeito à não negatividade das variáveis de decisão:

R3: x >= 0
R4: y >= 0

Veja agora o código Octave completo (pesquisa_operacional.m):

# vamos começar definindo a matriz que representa a função de
# minimização
c = [80.0, 50.0]';

# agora a matriz de restrições
A = [15, 20; 10, 5];
b = [60, 30]';

# as restrições de não negatividade e o limite superior
lb = [0, 0]';
ub = [];

# definimos as restrições como limites inferiores
ctype = "LL";

# indicamos que vamos usar variáveis contínuas (não inteiros)
vartype = "CC";

# vamos usar minimização, por isso definimos o valor 1. Se fosse
# maximização o valor seria -1
......


Ao executar o código você perceberá que, para minimizar os custos do fazendeiro, deverão ser usados na mistura 2,4 unidades da Ração X e 1,2 unidades da Raça Y, a um custo mínimo de R$ 252,00.


Python ::: Python para Engenharia ::: Cálculo Diferencial e Integral

Como calcular o limite de uma função usando Python e a biblioteca Sympy - Python para Engenharia

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Como calcular o limite de uma função usando Python e a biblioteca Sympy

Citando a Wikipédia: Na matemática, o limite de uma função é um conceito fundamental em cálculo e análise sobre o comportamento desta função quando próxima a um valor particular de sua variável independente. Informalmente, diz-se que __$\text{L}__$ é o limite da função __$\text{f(x)}__$ quando __$\text{x}__$ tende a __$\text{p}__$, escreve-se

\[ \lim_{x \to p} f(x) = L \]

quando __$\text{f(x)}__$ está arbitrariamente próximo de __$\text{L}__$ para todo __$\text{x}__$ suficientemente próximo de __$\text{p}__$. O conceito de limite pode ser estendido para funções de varias variáveis.

A biblioteca SymPy da linguagem Python facilita muito o trabalho de se calcular limites. É claro que é sempre uma boa idéia saber calcular o limite de uma função "na mão" mesmo, até para sabermos se nosso código Python está correto. No entanto, em algumas situações, lançar mão da função limit() da SymPy nos poupará um tempo incrível.

Dessa forma, a sintáxe para o cálculo do limite na SymPy segue o padrão limit(função, variável, ponto). Então, se quisermos calcular o limite de f(x) com x tendendo a 0, só precisamos fazer limit(f, x, 0).

Vamos colocar esse conhecimento em prática então? Veja o seguinte limite:

\[ \lim_{x \to 1} 5x^2 + 2x \]

Agora observe o código Python completo que calcula e retorna o limite desta função:

# vamos importar a biblioteca SymPy
from sympy import * 

def main():
  # vamos definir o símbolo x
  x = symbols("x")
  # definimos a função
  f = (5 * x ** 2) + (2 * x) 
......


Ao executar este código nós teremos o seguinte resultado:

O limite da função é: 7.000000.

Logo, o limite da função no ponto __$\text{x}__$ = 1 vale 7, em outras palavras, 7 é o valor que __$f(5x^2 + 2x)__$ deveria ter em 1 para ser contínua nesse ponto.

Vamos ver mais um exemplo? Observe o seguinte limite:

\[ \lim_{x \to 1} \left(\frac{x^2 - 1}{x - 1}\right) \]

Aqui temos um situação interessante. Note que temos que fazer uma manipulação algébrica na expressão, fatorando os termos. Porém, mesmo em situações assim o método limit() da Sympy consegue interpretar a expressão simbólica corretamente e nos devolver o limite esperado. Veja o código Python completo:

# vamos importar a biblioteca SymPy
from sympy import * 

def main():
  # vamos definir o símbolo x
  x = symbols("x")
  # definimos a função
  f = (x ** 2 - 1) / (x - 1) 
......


Ao executar este código Python nós teremos o seguinte resultado:

O limite da função é: 2.000000.


Python ::: Dicas & Truques ::: Data e Hora

Como formatar a data e hora atual em Python usando a função strftime() da classe datetime

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Nesta dica eu vou mostrar como é possível usar o método strftime() da classe datetime para formatar e mostrar a data e hora atual no Python.

Veja o código completo para o exemplo:

from datetime import datetime
import locale

def main():
  # Configurações do usuário
  locale.setlocale(locale.LC_ALL, '')
 
  # Obtém um datetime da data e hora atual
  hoje = datetime.today()
......


Ao executar este código nós teremos o seguinte resultado:

Hoje é segunda-feira, 08 de março de 2019


Java ::: Dicas & Truques ::: Data e Hora

Java para iniciantes - Como usar a classe Date em suas aplicações Java

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A classe Date pertence ao pacote java.util, e, embora muitos de seus métodos estejam em desuso (Deprecated), ainda encontraremos muito código Java que usa esta classe para trabalhar com datas e horas. Veja sua posição na hierarquia de classes Java:

java.lang.Object
......


Esta classe implementa as interfaces Serializable, Cloneable e Comparable<Date> e suas subclasses conhecidas são Date, Time, Timestamp (todas do pacote java.sql). As informações abaixo podem ser encontradas na documentação da classe Date.

A classe Date representa um momento específico no tempo, com uma precisão de milisegundos.

Antes do JDK 1.1, esta classe tinha duas funções adicionais. Ela permitia a interpretação de datas como valores de ano, mês, dia, hora, minuto e segundo. Também permitia a formatação e parsing de strings de datas. Infelizmente, a API para estas funções não facilitava a internacionalização. Assim, a partir do JDK 1.1, a classe Calendar deve ser usada para converter entre campos de datas e horas e a classe DateFormat deve ser usada para formatar e fazer o parsing de strings de datas. Os métodos correspondentes a estas funções estão em desuso (Deprecated) na classe Date.

Embora a classe Date tenha sido projetada para refletir a hora universal coordenada (Coordinated Universal Time - UTC), ela pode não ser capaz de fazer isso corretamente, dependendo do sistema no qual a Java Virtual Machine esteja sendo executada. A grande maioria dos sistemas operacionais modernos assume que 1 dia = 24 × 60 × 60 = 86400 segundos em todos os casos. No UTC, contudo, de dois em dois anos, aproximadamente, há um segundo extra, chamado de "leap second" (a mesma idéia do ano bissexto). O leap second é sempre adicionado como o último segundo do dia e sempre nos dias 31 de dezembro ou 30 de junho. Por exemplo, o último minuto do ano de 1995 teve 61 segundos, graças ao segundo extra que foi adicionado. A maioria dos relógios dos computadores não são precisos o suficiente para refletir a distinção do leap second.

Alguns padrões de computadores são definidos em termos da hora de Greenwich (Greenwich mean time - GMT), que é o equivalente ao Universal Time (UT). GMT é o nome "civil" para o padrão, UT é o nome "científico" para o mesmo padrão. A distinção entre UTC e UT é que UTC é baseado em um relógio atômico e UT é baseado em observações astronômicas, o que para todos os propósitos práticos não traz diferença significativa. Devido à rotação da terra não ser uniforme (ela desacelera ou acelera de formas complicadas), O UT nem sempre flui uniformente. Segundos extras (Leap seconds) são inseridos conforme necessário no UTC de forma a mantê-lo dentro dos 0.9 segundos do UT1, que é uma versão do UT com algumas correções aplicadas. Há outros sistemas de datas e horas também; por exemplo, a escala de tempo pelo sistema de posicionamento global baseado em satélite (satellite-based global positioning system - GPS) é sincronizado com o UTC mas não é ajustado para os segundos extras.

Em todos os métodos da classe Date que aceitam ou retornam valores de ano, mês, dia, hora, minuto e segundos, as seguintes representações são usadas:


  • Um ano y é representado pelo inteiro y - 1900.

  • Um mês é representado por um inteiro na faixa de 0 a 11. 0 é janeiro, 1 é fevereiro e assim por diante; assim, 11 é dezembro.

  • Um dia (dia do mês) é representado por um inteiro na faixa de 1 a 31, como estamos acostumados.

  • Uma hora é representada por um inteiro na faixa de 0 a 23. Assim, a hora da meia-noite até 1 a.m. é a hora 0 e a hora do meio-dia até 1 p.m. é a hora 12.

  • Um minuto é representado por um inteiro na faixa de 0 a 59, como estamos acostumados.

  • Um segundo é representado por um inteiro na faixa de 0 a 61; os valores 60 e 61 ocorrem somente para os segundos extras (leap seconds) e somente nas implementações Java que realmente lidam com estes segundos corretamente. Devido à forma na qual leap seconds são apresentados atualmente, é pouco provável que dois leap seconds ocorrerão no mesmo minuto, mas esta especificação segue as convenções de datas e horas do ISO C.

  • Em todos os casos, argumentos fornecidos a estes métodos não precisam necessariamente estar nas faixas indicadas; por exemplo, uma data pode ser definida como 32 de janeiro e ser interpretada como 1º de fevereiro.




Delphi ::: Dicas & Truques ::: Strings e Caracteres

Como substituir todas as ocorrências de uma substring em uma string em Delphi sem considerar maiúsculas e minúsculas usando a função ReplaceText()

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Algumas vezes precisamos substituir todas as ocorrências de uma substring em uma string mas não queremos diferenciar letras maiúsculas de letras minúsculas. Em Delphi isso pode ser feito com o auxílio da função ReplaceText(). Esta função requer a string na qual a substituição ocorrerá, a substring a ser substituída e a nova substring. O resultado será uma nova string resultante da substituição. Veja o exemplo:

procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);
var
  frase: string;
begin
  frase := 'PHP? Sim, eu gosto muito de PHP';

  // vamos substituir todas as ocorrências de "PHP" por "Delphi'
......


Lembre-se de que esta função não diferencia maiúsculas e minúsculas.

Não se esqueça de adicionar a unit StrUtils no uses do seu formulário.

Para questões de compatibilidade, esta dica foi escrita usando Delphi 2009.


C ::: Dicas & Truques ::: Matemática e Estatística

Como calcular desvio padrão em C - C para Matemática e Estatística

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Em Matemática e Estatística, o Desvio padrão (em inglês: Standard Deviation) é uma medida de dispersão, ou seja, é uma medida que indica o quanto um conjunto de dados é uniforme. Quando o desvio padrão é baixo, isso quer dizer que os dados do conjunto estão mais próximos da média.

Como calcular o desvio padrão de um conjunto de dados? Vamos começar analisando a fórmula mais difundida na matemática e na estatística:

\[\sigma = \sqrt{ \frac{\sum_{i=1}^N (x_i -\mu)^2}{N}}\]

Onde:

a) __$\sigma__$ é o desvio;
b) __$x_i__$ é um valor qualquer no conjunto de dados na posição i;
c) __$\mu__$ é a média aritmética dos valores do conjunto de dados;
d) N é a quantidade de valores no conjunto.

O somatório dentro da raiz quadrada nos diz que devemos somar todos os elementos do conjunto, desde a posição 1 até a posição n, subtrair cada valor pela média do conjunto e elevar ao quadrado. Obtida a soma, nós a dividimos pelo tamanho do conjunto.

Veja o código C completo que obtém o desvio padrão a partir de um conjunto de dados contendo quatro valores:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <math.h>

// função principal do programa
int main(int argc, char *argv[]){
  // conjunto dos dados
  float conjunto[] = {10, 30, 90, 30};
  float soma = 0.0; // soma dos elementos
  float desvio_padrao = 0.0; // desvio padrão
  int tam = 4; // tamanho dos dados
  int i;
  float media;

  // vamos somar todos os elementos
  for(i = 0; i < tam; i++){
    soma = soma + conjunto[i];
  }

  // agora obtemos a média do conjunto de dados    
......


Ao executar este código C nós teremos o seguinte resultado:

Desvio Padrão Populacional: 30.0
Desvio Padrão Amostral: 34.64101615137755

Veja que, para calcular o Desvio Padrão Populacional, nós dividimos o somatório pela quantidade de elementos no conjunto, enquanto, para calcular o Desvio Padrão Amostral, nós dividimos o somatório pela quantidade de elementos - 1 (cuidado com a divisão por zero no caso de um conjunto com apenas um elemento).


Delphi ::: Dicas & Truques ::: Rotinas de Conversão

Como converter strings em valores TDateTime usando as funções StrToDate() e StrToDateDef() do Delphi

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A função StrToDate() da unit SysUtils é usada quando queremos converter strings em valores TDateTime. No Delphi 2009 esta função possui duas assinaturas:

function StrToDate(const S: string): TDateTime; overload;
function StrToDate(const S: string; const FormatSettings: 
  TFormatSettings): TDateTime; overload;


A primeira versão de StrToDate() recebe uma string contendo uma data e retorna um objeto TDateTime. Veja o seguinte trecho de código:

procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);
var
  data: string;
  data2: TDateTime;
begin
  // vamos converter a data 22/02/2005
  data := '22/02/2005';

  // a conversão acontece aqui. Note que, caso a conversão
  // não seja possível, uma exceção do tipo EConvertError será
......


Note que a função StrToDate() lançará uma exceção do tipo EConvertError se a string não possuir uma data válida. Os valores de strings representando datas válidas incluem mês/dia/ano, dia/mês/ano e ano/mês/dia. A ordem de dia, mês e ano é determinada pela variáve global ShortDateFormat. Se fornecermos valores apenas para o dia e o mês a função incluirá o ano atual. Não podemos esquecer a barra de separação de datas. Se seu aplicativo foi desenvolvido para rodar em outras localidades, obtenha o separador de datas por meio da variável global DateSeparator.

A primeira versão da função StrToDate() não é segura em relação a threads (thread-safe) devido ao uso de informações de localização contidas em variáveis globais, ou seja, se uma thread modificar os valores de tais variáveis, código sendo executado em outras threads sofrerão as consequencias. Para evitar isso podemos usar a segunda versão de StrToDate(), que usa um objeto FormatSettings para guardar as informações de localização. Veja um exemplo:

procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);
var
  data: string;
  data2: TDateTime;
  formato: TFormatSettings;
begin
  // vamos converter a data 22/02/2005
  data := '22/02/2005';

  // a conversão acontece aqui. Note que, caso a conversão
  // não seja possível, uma exceção do tipo EConvertError será
......


A função StrToDateDef() é similar à função StrToDate(). A diferença é que, se a string possuir uma data inválida, a função StrToDateDef() retorna uma data padrão, ou seja, não haverá nenhuma exceção atirada. Veja:

procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);
var
  data: string;
  data2: TDateTime;
begin
  // vamos converter a data 2s2/02/2005 (inválida)
  data := '2s2/02/2005';

......


Para fins de compatibilidade, esta dica foi escrita usando Delphi 2009.


Java ::: Dicas & Truques ::: Arquivos e Diretórios

Como renomear um diretório em Java usando o método renameTo() da classe File - Arquivos e diretórios em Java

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Nesta dica mostrarei como podemos usar o método renameTo() da classe File da linguagem Java para renomear um diretório. Veja que este método retorna boolean, ou seja, o valor true caso o diretório for renomeado com sucesso e false em caso contrário.

Veja o código completo para o exemplo:

package arquivodecodigos;

import java.io.*;
 
public class Estudos{
  public static void main(String[] args){
    // diretorio com o nome antigo
    File dir1 = new File("c:\\java");
     
    // diretorio com o novo nome
    File dir2 = new File("c:\\java_novo");
......


Ao executar este código Java nós teremos o seguinte resultado:

Diretorio renomeado com sucesso.


C ::: Estruturas de Dados ::: Lista Ligada Simples

Estrutura de Dados em C - Como inserir nós no final de uma lista singularmente ligada em C

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Esta dica mostra como inserir nós no final de uma lista singularmente ligada. A estrutura usada para representar cada nó é a seguinte:

struct No{
  int valor;
......


Note que cada nó contém apenas um valor inteiro e um ponteiro para o próximo nó. Ao analisar o código você perceberá que tanto a inserção no final quanto a exibição dos nós são feitas usando funções. Isso permitirá o reaproveitamento deste código em suas próprias implementações. Vamos ao código:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

// estrutura Nó
struct No{
  int valor;
  struct No *proximo;
};
// fim da estrutura Nó

// função que permite exibir os valores de
// todos os nós da lista
void exibir(struct No *n){
  if(n != NULL){
    do{
      printf("%d\n", n->valor);
      n = n->proximo;
    }while(n != NULL);
  }
  else
    printf("A lista esta vazia\n\n");
}

// função que permite inserir nós no
// final da lista.
// veja que a função recebe o valor a ser
// armazenado em cada nó e um ponteiro para o
// início da lista. A função retorna um
// ponteiro para o início da lista
struct No *inserir_final(struct No *n, int v){
  // reserva memória para o novo nó
  struct No *novo = (struct No*)malloc(sizeof(struct No));
  novo->valor = v;

  // verifica se a lista está vazia
  if(n == NULL){
    // é o primeiro nó...não deve apontar para
    // lugar nenhum
    novo->proximo = NULL;
    return novo; // vamos retornar o novo nó como sendo o início da lista
......



C++ ::: Dicas & Truques ::: Trigonometria - Funções Trigonométricas

Como calcular o comprimento da hipotenusa em C++ dadas as medidas do cateto oposto e do cateto adjascente

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Nesta dica mostrarei como é possível usar a linguagem C++ para retornar o comprimento da hipotenusa dadas as medidas do cateto oposto e do cateto adjascente. Vamos começar analisando a imagem a seguir:



Veja que, nessa imagem, eu já coloquei os comprimentos da hipotenusa, do cateto oposto e do cateto adjascente. Para facilitar a conferência dos cálculos, eu coloquei também os ângulos theta (que alguns livros chamam de alfa) e beta já devidamente calculados.

Então, sabendo que o quadrado da hipotenusa é igual à soma dos quadrados dos catetos (Teorema de Pitógoras):

\[c^2 = a^2 + b^2\]

Tudo que temos a fazer a converter esta fórmula para código C++. Veja:

#include <iostream>
#include <math.h>
#include <cstdlib>
 
using namespace std;
 
int main(int argc, char *argv[]){
  float a = 20; // medida do cateto oposto
  float b = 30; // medida do cateto adjascente
  
  // agora vamos calcular o comprimento da hipotenusa
......


Ao executar este código C++ nós teremos o seguinte resultado:

O comprimento da hipotenusa é: 36.0555

Como podemos ver, o resultado retornado com o código C++ confere com os valores da imagem apresentada.

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