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Administra;ao florestal

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Administração Florestal
Eduardo Scabora
05 de abril de 2023
Eduardo Scabora
Administração Florestal
Motivações
O motivo de escolher o tema foi porque o desenvolvimento
sustentável é prioridade para proteger o meio ambiente e o modelo
que vamos ver é uma aplicação de álgebra linear onde o único
requisito é operação com matrizes para compreensão do mesmo.
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Administração Florestal
Motivações
Ao adotar ações sustentáveis, os recursos naturais como as árvores
não se esgotarão, por isso, quando você faz a sua parte, deixa de
prejudicar o meio ambiente quando faz ações sustentáveis. E não
tem nada mais sustentável que a preocupação com a administração
de nossas florestas.
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Administração Florestal
Vamos introduzir um modelo simplificado para o corte sustentável
de uma floresta cujo as arvores são classificadas por sua altura.
Supomos que a altura da árvore quando for cortada e vendida
determina seu valor. Inicialmente Imaginemos uma floresta com
árvores de alturas diferentes.
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O Modelo
Supomos que o plantador tenha uma floresta que vende suas
arvores cortadas ano após anos para um fabricante de lápis. Em
cada janeiro o plantador corta algumas arvores e planta uma muda
em seu lugar. Ou seja o número de árvores total na floresta é
sempre o mesmo. Vamos desconsiderar as arvores que morrem por
outras situações.
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O Modelo
Então vamos separar as nossas arvores em n classes distintas de
preços correspondentes aos intervalos de sua altura conforme as
figuras abaixo.
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O Modelo
Seja xi (i=1,2,..,n) o número de árvores na i-ésima classe que não
foram cortadas. Formamos um vetor coluna com estes números,
que chamamos de vetor de não cortadas.
 
x1
x2 
 
x=.
 .. 
xn
Para que o nosso modelo seja sustentável temos que após cada
corte a floresta retorne a configuração inicial do vetor x
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O Modelo
E sabe-se que o números total de árvores da floresta permanece
fixado, podemos colocar
x1 + x2 + · · · + xn = s.
(1)
Onde esse s pode variar muito com o tamanho da floresta, clima e
etc. Então de maneira geral depois de cada corte
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O Modelo
Inicialmente, vamos considerar o crescimento das arvores da
floresta para os cortes anuais. Durante esse tempo a árvore da
classe i-ésima pode passar para uma classe maior de altura ou seu
crescimento é retardado por algum motivo e ela fica na mesma
classe. Então definimos o seguinte parâmetro de crescimento gi
com i = 1, . . . , n − 1.
gi = a fração das árvores da i-ésima classe que crescem
para (i+1)-ésima classe durante o perı́odo de crescimento
Vamos supor que durante o perı́odo uma árvore de alguma classe
no máximo muda de classe para outra classe superior.
1 − gi = a fração das árvores da i-ésima classe que
permanecem na mesma classe durante o perı́odo de crescimento
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O Modelo
Com esses n-1 parâmetros, podemos definir a matriz de
crescimento nxn

1 − g1
0
0
...
...
 g1
1
−
g
0
.
.
.
...
2


..
..
 0
g2
1 − g3 .
.
G =
 ..
..
..
..
..
 .
.
.
.
.

 0
0
0
. . . 1 − gn−1
0
0
0
...
gn−1
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
0
0


0

.. 
.

0
1
O Modelo
Como as entradas do vetor x são os números de árvores nas classes
n antes do perı́odo de crescimento, temos que


(1 − g1 )x1


g1 x1 + (1 − g2 )x2




..
Gx = 

.


gn−2 xn−2 + (1 − gn−1 )xn−1 
gn−1 xn−1 + xn
são os números de árvores nas n classes depois do perı́odo de
crescimento.
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O Modelo
Seja
 
y1
y1 
 
y=.
 .. 
yn
o vetor que seja a quantidade de árvores cortadas da i-ésima
classe. Assim, um total de
y1 + y2 + +yn = p
árvores são removidas em cada corte. Este número também é o
mesmo número de novas mudas que serão replantadas depois de
cada corte.
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O Modelo
Definimos uma matriz de reposição

1 1
0 0

R = . .
 .. ..
nxn
...
...
..
.
0 0 ...

1
0

.. 
.
0
então o vetor coluna


y1 + y2 + · · · + yn


0




0
Ry = 



..


.
0
é a multiplicação da matriz de reposição pela matriz de árvores de
corte, resultando a matriz coluna das árvores que serão repostas
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Conclusão do Modelo
Com isso, temos que para um procedimento sustentável temos a
seguinte equação
Configuração no final
− Corte + Reposição de mudas =
do perı́odo de crescimento
Configuração no inı́cio do perı́odo de crescimento
Ou seja,
G x − y + Ry = x
Podemos reescrever a equação como
(I − R)y = (G − I )x
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(2)
Dizemos que a equação (2) é a condição de corte sustentável.
Quaisquer vetores x e y com entradas não negativas, tais que esses
vetores satisfazem a equação matricial determinam uma politica de
corte sustentável para a floresta. Ou seja quando começarmos o
processo teremos que definir os vetores x e y inicialmente.
Temos que (2) pode ser escrita como
0
0
0
.
.
.
0
0



−1
1
0
.
.
.
0
0
−1
0
1
.
.
.
0
0
...
...
...
...
...
...
−1
0
0
.
.
.
1
0
−1
0
0
.
.
.
0
1




y1
y2
y3
.
.
.
yn−1
yn

−g
 
=
 
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g1
0
.
.
.
0
0
1
0
−g2
g2
.
.
.
0
0
0
...
−g3
.
.
.
0
0
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...
0
...
.
.
.
...
...
0
0
0
.
.
.
−gn−1
gn−1
0
0
0
.
.
.
0
0




x1
x2
x3
.
.
.
xn−1
xn




Note que se y1 > 0 (mudas), forem cortadas então estamos
removendo árvores sem valor e substituindo por mudas novas.
Como não faz sentido temos que
y1 = 0.
(3)
Então podemos verificar que (2) é o formato matricial do conjunto
de equações
y2 + · · · + yn = g1 x1
y2 = g1 x1 − g2 x2
y3 = g2 x2 − g3 x3
..
.
yn−1 = gn−2 xn−2 − gn−1 xn−1
yn = gn−1 xn−1
Observe que a primeira equação de (4) é a soma das n − 1
equações.
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(4)
Como devemos ter yi ≥ 0 com i = 2, . . . , n as equações (4) exigem
que
g1 x1 ≥ g2 x2 ≥ · · · ≥ gn−1 xn−1 ≥ 0.
(5)
Como vamos remover yi árvores da i-ésima classe (i = 2, . . . , n) e
cada árvore da i-ésima classe tem um valor econômico pi , o
rendimento total RT do corte é dado por
RT = p2 y2 + · · · + pn yn
(6)
Substituindo (4) em (6), temos que
RT = p2 g1 x1 + (p3 − p2 )g2 x2 + · · · + (pn − pn−1 )gn−1 xn−1 (7)
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Juntando (1), (7) e (4), formamos um problema de otimização
linear
Problema Encontre números não negativos x1 , . . . , xn que
maximizem
RT = p2 g1 x1 + (p3 − p2 )g2 x2 + · · · + (pn − pn−1 )gn−1 xn−1
sujeito a
x1 + x2 + · · · + xn = s
e
g1 x1 ≥ g2 x2 ≥ · · · ≥ gn−1 xn−1 ≥ 0
Como já falamos o único pré requisito é operação com matrizes
então vamos tentar justificar esse problema de otimização linear
com um teorema que vai nos dizer qual o melhor corte sustentável
sem que resolvemos esse problema de otimização linear.
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Teorema (1) Rendimento Sustentável Ótimo
O rendimento sustentável ótimo é obtido cortando todas as
árvores de uma classe de altura especı́fica e nenhuma árvore
de qualquer outra classe.
Vamos começar denotando por
RTk = rendimento obtido cortando todas as árvores da k-ésima
classe e nenhuma árvore das outras classes.
O maior valor de RTk com k = 1, . . . , n, será o rendimento
sustentável ótimo.
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E o correspondente ı́ndice k será a classe qual todas as árvores
devem ser cortadas para obter o rendimento. Como nenhuma
classe é cortada com exceção da k temos que
y2 = y3 = · · · = yk−1 = yk+1 = · · · = yn = 0.
(8)
Além disse, como todas as árvores da k-ésima classe são cortadas,
não restam árvores para cortar na k-ésima classe e nunca há
arvores nas classes de altura acima da k-ésima classe. Assim
xk = xk+1 = · · · = xn = 0
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(9)
Substituindo (8) e (9) nas condições de corte sustentável, ou seja
em (4), obtemos
yk = g1 x1
0 = g1 x1 − g2 x2
0 = g2 x2 − g3 x3
..
.
(10)
0 = gk−2 xk−2 − gk−1 xk−1
yk = gk−1 xk−1
As equações (10) também podem ser escritas como
yk = g1 x1 = g2 x2 = · · · = gk−1 xk−1
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(11)
Do qual segue que
g1 x1
g2
g1 x1
x3 =
g3
..
.
g1 x1
xk−1 =
gk−1
x2 =
(12)
Substituindo as equações (12) e (9) em
x1 + x2 + · · · + xn = s
podemos resolver em x1 e obter
x1 =
1+
g1
g2
+
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g1
g3
s
+ ··· +
g1
gk−1
.
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(13)
Para o rendimento RTk , combinamos (6), (8), (11) e (13) para
obter
RTK = P2 y2 + · · · + pn yn
= pk yk
(14)
= pk g1 x1
=
1
g1
+
1
g2
pk s
+ ··· +
1
gk−1
A Equação final (14) determina o rendimento total da classe k em
termos dos parâmetros econômicos e de crescimento conhecidos,
com k = 2, . . . , n. Assim finalizando o nosso estudo com o
seguinte Teorema.
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Teorema (2) Encontrando o Rendimento Sustentável
Ótimo
O rendimento sustentável ótimo é o maior valor de
1
g1
+
1
g2
pk s
+ ··· +
1
gk−1
com k = 2, . . . , n. O correspondente valor de k é o número
da classe que é completamente cortada.
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