O mercado brasileiro de derivados de petróleo está sendo aberto para competição este ano, saindo de um ambiente de preços regulados pelo Governo Federal para um ambiente onde os preços são estabelecidos pelas leis de oferta e demanda. Neste contexto, existe a preocupação de como serão estes preços, e seus impactos sobre os consumidores e sobre os produtores locais. Esta Tese propõe alguns modelos matemáticos para estimar preços, níveis de produção, níveis de consumo (demanda), e importação e exportação de derivados de petróleo nas diversas regiões do mercado brasileiro. O fornecimento de derivados de petróleo não é considerado um mercado competitivo, e sim oligopolizado, principalmente no curto prazo, devido à capacidade instalada de refinarias e aos altos custos envolvidos na construção de novas refinarias. Estes modelos são multi- produto, considerando um fato importante na produção de derivados que é a impossibilidade de produzir apenas um derivado. Assim, existem restrições onde a oferta de um derivado é relacionada a oferta dos outros. O primeiro modelo considera um mercado de oligopólio fechado, com um número fixo de firmas. Tal modelo é formulado como um problema de equilíbrio a Nash. Um segundo modelo é apresentado expandindo o primeiro para o caso em que existem preços teto de demanda definidos politicamente. O terceiro modelo relaxa a suposição do mercado fechado, com número fixo de firmas, e considera a possibilidade de competição de novas firmas no mercado. Um quarto modelo é discutido, onde assume-se que existe uma firma líder no mercado, que consegue definir sua estratégia antes das demais firmas, semelhante ao problema econômico de Stackelberg. Todos os modelos foram formulados como problemas de inequações variacionais, sendo que o último modelo é ainda um problema de programação binível. Algoritmos de solução são propostos para os três primeiros modelos. Simulações sobre o mercado brasileiro de derivados são apresentadas.