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Universidad Autónoma San Francisco

Autor:

Missey Riveros Huamán

Arequipa – Perú

2018

ASPECTOS IMPORTANTES DE

LOS MÉTODOS NUMÉRICOS

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Editor: Universidad Autónoma de San Francisco

Av. Parra N.º 219, Cercado – Arequipa

Arequipa, abril del 2018

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1

RESUMEN

• Comprende las actividades involucrados en los procesos y aprende a abstraerlos

a un modelo matemático y Conoce la teoría de errores, raíces de ecuaciones.

• Se modela diversos problemas de aplicativos, analizando y proponiendo

alternativas de solución. Resuelve ecuaciones algebraicas lineales.

• Se resuelven problemas de optimización y ajustes de curvas utilizando diferentes

herramientas y modelos matemáticos y se desarrolla la capacidad de análisis y

representación de mediante expresiones matemáticas.

• Se desarrolla métodos de Integración numéricos y se comprende las actividades

involucrados en los procesos y aprende a abstraerlos a un modelo matemático.

• Se desarrolla métodos numéricos para solucionar ecuaciones diferenciales

ordinarias y parciales.

• Comprende las actividades involucrados en los procesos y aprende a abstraerlos

a un modelo matemático.

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2

INTRODUCCIÓN

Al momento de aplicar las Matemáticas a situaciones del mundo real nos encontramos a

menudo con problemas que no pueden ser resueltos analíticamente o de manera exacta

y cuya solución debe ser abordada con ayuda de algún procedimiento numérico.

Los métodos numéricos son técnicas mediante las cuales es posible formular problemas

matemáticos de tal forma que puedan resolverse usando operaciones aritméticas. Los

métodos numéricos nos vuelven aptos para entender esquemas numéricos a fin de

resolver problemas matemáticos, de ingeniería y científicos en una computadora, reducir

esquemas numéricos básicos, escribir programas y resolverlos en una computadora y

usar correctamente el software existente para dichos métodos y no solo aumenta nuestra

habilidad para el uso de computadoras, sino que también amplia la pericia matemática y

la comprensión de los principios científicos básicos. El análisis numérico trata de diseñar

métodos para “aproximar” de una manera eficiente las soluciones de problemas

expresados matemáticamente. El objetivo principal del análisis numérico es encontrar

soluciones “aproximadas” a problemas complejos utilizando sólo las operaciones más

simples de la aritmética. Se requiere de una secuencia de operaciones algebraicas y

lógicas que producen la aproximación al problema matemático.

Hoy en día, gran parte de la tecnología actual depende de la solución de modelos

matemáticos, desde la programación empotrada de una calculadora científica y el cálculo

estructural de un edificio multinivel con estructuras de acero, hasta el diseño y simulación

de aeronaves y vuelos espaciales. La solución de un modelo matemático relativamente

sencillo puede obtenerse de manera analítica.

En ocasiones, para la gran mayoría de los modelos matemáticos del mundo real, las

soluciones analíticas pueden no existir o ser extremadamente complejas, por lo cual se

recurre a métodos numéricos que aproximen las soluciones dentro de ciertos márgenes

de tolerancia.

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3

ÍNDICE

Pág.

RESUMEN ...................................................................................................................... 1

INTRODUCCIÓN ............................................................................................................ 2

CAPÍTULO I: MODELOS, COMPUTADORAS, ANÁLISIS DE ERROR Y RAÍCES DE

ECUACIONES ................................................................................................................ 6

A. Fuentes de Error y Error Final ................................................................................. 6

B. Definiciones ............................................................................................................. 7

C. Importancia de los Métodos Numéricos .................................................................. 8

D. Conceptos básicos: cifra significativa, precisión, exactitud, incertidumbre y sesgo 9

E. Tipos de errores ...................................................................................................... 9

1. Error por redondeo ............................................................................................. 10

a. Método común ................................................................................................ 11

2. Error por truncamiento. ...................................................................................... 12

3. Error numérico total ............................................................................................ 13

F. Errores ................................................................................................................... 15

1. Propagación del error en las operaciones elementales ..................................... 15

a. Suma y resta .................................................................................................. 15

b. Producto ......................................................................................................... 15

c. División ........................................................................................................... 15

d. Raíz cuadrada ................................................................................................ 16

2. Representación de números .............................................................................. 16

a. Sistemas de numeración ................................................................................ 16

b. Representación en sistemas de punto fijo ...................................................... 17

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4

c. Representación en sistemas de punto flotante ............................................... 17

d. Corte o truncamiento ...................................................................................... 18

e. Redondeo o redondeo simétrico ..................................................................... 19

3. Notación Decimal ............................................................................................... 21

4. Notación Binaria ................................................................................................. 21

G. Raíces De Ecuaciones .......................................................................................... 25

1. Método de Graficación ....................................................................................... 25

2. Método de bisección .......................................................................................... 28

3. Método de las cuerdas ....................................................................................... 31

4. Método de Newton ............................................................................................. 33

5. Método de la Secante ........................................................................................ 35

6. Método punto fijo ................................................................................................ 38

a. Teorema 1 ...................................................................................................... 38

b. Teorema 2 ...................................................................................................... 38

H. Tipos de convergencia .......................................................................................... 39

1. Convergencia monótona .................................................................................... 39

2. Convergencia Oscilatoria ................................................................................... 39

3. Divergencia Monótona ....................................................................................... 40

4. Divergencia oscilatoria ....................................................................................... 40

CAPÍTULO II: ECUACIONES ALGEBRAICAS LINEALES ......................................... 41

A. Matrices ................................................................................................................. 41

1. Matriz cuadrada ................................................................................................. 41

B. Determinantes ....................................................................................................... 41

1. Determinante de 3er. Orden .............................................................................. 42

2. Determinante de una matriz 3x3 por cofactores ................................................ 43

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5

3. Teorema de expansión de determinantes .......................................................... 44

4. Teorema sobre una fila o columna de ceros ...................................................... 45

5. Regla de cramer para dos variables .................................................................. 47

6. Regla de cramer (FORMA GENERAL) .............................................................. 48

C. Método de Gauss .................................................................................................. 49

D. Descomposición LU .............................................................................................. 52

1. Pasos para encontrar la matriz triangular superior (matriz [U]) .......................... 53

2. Pasos para encontrar la matriz triangular inferior (matriz [L])............................. 53

E. Método de Gauss-Seidel ....................................................................................... 60

CAPÍTULO III: OPTIMIZACIÓN Y AJUSTE DE CURVAS ........................................... 69

A. Ajuste Por Mínimos Cuadrados ............................................................................. 69

CAPÍTULO IV: DIFERENCIACION E INTEGRACIÓN NUMÉRICA ............................. 73

A. Diferenciación Numérica ....................................................................................... 73

1. Fórmulas de alta exactitud ................................................................................. 73

B. La Integración Numérica ....................................................................................... 80

1. Método de Newton – Cotes ................................................................................ 82

2. Método Trapezoidal ........................................................................................... 83

C. Método De Simpson .............................................................................................. 86

D. Métodos Compuestos de Integración .................................................................... 90

1. Método Trapezoidal Compuesto ........................................................................ 90

2. Método Compuesto de Simpson ........................................................................ 92

3. Errores de truncamiento en la aproximación trapezoidal .................................. 95

CUESTIONARIO ........................................................................................................... 96

BIBLIOGRAFIA .......................................................................................................... 118

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CAPÍTULO I: MODELOS, COMPUTADORAS, ANÁLISIS DE ERROR Y RAÍCES DE

ECUACIONES

A. Fuentes de Error y Error Final

Fuentes de error

Errores inherentes: (EI)

Son los errores que afectan a los datos del problema

numérico y pueden tener distintos orígenes. Por

ejemplo, pueden ser el resultado de la incertidumbre

en cualquier medición, o por ejemplo cuando

queremos ingresar en una calculadora los valores

de, ya que usaremos solo una cantidad finita de

dígitos para representarlos.

Errores de redondeo: (ER)

Son los posibles errores de representación que se

produzcan al realizar cada cálculo de nuestro

algoritmo.

Errores de discretización o truncamiento: (ED)

Son los que se producen al pasar del problema

matemático al numérico, por ejemplo, cuando se

desprecia el término complementario, suplantando

una suma infinita por una finita.

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B. Definiciones

• Problema Matemático: Es una descripción clara de la conexión funcional entre

los datos de entrada y de salida.

• Problema Numérico: Es una descripción clara de la conexión funcional entre los

datos numéricos de entrada y de salida. Debe implicar una cantidad finita de

operaciones elementales realizables por computadora

• Método Numérico: Es un procedimiento para aproximar un problema matemático

con un problema numérico.

• Algoritmo: Es una descripción completa y bien definida de una cantidad finita de

operaciones elementales a través de las cuales es posible transformar los datos

de entrada en los datos de salida.

• Error absoluto, Error relativo y cota del error

Sea b el valor de una cierta magnitud y sea b el valor medido o calculado:

Error final

Error inherente propagado: La forma en que se

propaguen los errores inherentes quedara definida

por el problema numérico.

Error de redondeo propagado: El error de redondeo

final será el producto de la propagación de los

errores de redondeo en los cálculos y dependerá del

algoritmo que elijamos.

Errores de discretización o truncamiento: Es

cualitativa y cuantitativamente el que definimos para

la fuente de error.

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8

𝑒𝑏 = 𝑏 − �̅�

𝑒𝑟𝑏 =𝑒𝑏

𝑏

𝑒𝑟𝑏 ≅𝑒𝑏

�̅� 𝑞𝑢𝑒 𝑒𝑠 𝑏𝑢𝑒𝑛𝑎 𝑠𝑖 |𝑒𝑏| ≪ |𝑏|

• Decimales significativos

10t

a tiene t decimales significativos a a k

(k puede tomar el valor 1 o 0.5). Tomaremos k=0.5.

Cuando el resultado de una operación tenga más de t decimales, escribiremos

este valor con t decimales solamente siguiendo la regla: si el decimal que está en

el lugar t+1 es menor que 5 dejamos los t decimales del número como están; si el

decimal de la posición t+1 es igual o mayor que 5 entonces le sumamos a nuestro

valor y tomamos los primeros t decimales que quedan. Cuando realizamos este

proceso decimos que nuestro resultado está escrito exactamente con sus

decimales significativos.

C. Importancia de los Métodos Numéricos

Los métodos numéricos son herramientas muy poderosas para la solución de problemas.

Son capaces de manejar sistemas de ecuaciones grandes, no lineales y geométricas

complicadas, comunes en la práctica de la ingeniería y, a menudo, imposibles de resolver

analíticamente. Por lo tanto, aumentan la habilidad de quien los estudia para resolver

problemas.

En el transcurso de la carrera tengamos la ocasión de usar software disponible

comercialmente que tenga métodos numéricos. El uso inteligente de estos programas

depende del conocimiento de la teoría básica en la que se basan estos métodos.

Hay muchos problemas que no pueden plantearse al emplear programas “hechos”. Si

esta versado en los métodos numéricos y es un adepto de la programación de

computadoras, entonces tiene la capacidad de diseñar sus propios programas para

resolver los problemas, sin tener que comprar un software costosos.

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D. Conceptos básicos: cifra significativa, precisión, exactitud, incertidumbre y

sesgo

• Cifra significativa. - Las cifras significativas de un numero son aquellas que

pueden ser usadas en forma confiable.

• Exactitud. - Se refiere a que tan cercano está el valor calculado o medido con el

valor verdadero.

• Precisión. - Se refiere a que tan cercano esta un valor individual medido o

calculado con respecto a los otros.

• Incertidumbre. - Se refiere a la magnitud en la dispersión de los valores.

• Sesgo. - Se define como una desviación sistemática del valor verdadero.

E. Tipos de errores

Error de concepto: inexactitud o equivocación al producir en la mente una idea sobre

algo.

Error de apreciación: es una inexactitud o equivocación al percibir con los sentidos y la

mente un determinado fenómeno o evaluar determinada situación o problema.

Error de medición: la inexactitud que se acepta como inevitable al comparar una

magnitud con su patrón de medida. El error de medición depende de la escala de medida

empleada, y tiene un límite.

Los errores de medición se clasifican en distintas clases (accidentales, aleatorios,

sistemáticos, etc.).

Sea A un número exacto y a, su valor aproximado. Si a < A, se aproxima por

defecto, sí a > A, es un valor aproximado por exceso.

Error absoluto: Es la diferencia entre el valor de la medida y el valor tomado como exacto.

Puede ser positivo o negativo, según si la medida es superior al valor real o inferior (la

resta sale positiva o negativa). Tiene unidades, las mismas que las de la medida. Error

absoluto es la imprecisión que acompaña a la medida. Nos da idea de la sensibilidad del

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aparato o de lo cuidadosas que han sido las medidas por lo poco dispersas que

resultaron. El error absoluto indica el grado de aproximación y da un indicio de la calidad

de la medida. El conocimiento de la calidad se complementa con el error relativo.

Comúnmente los seres humanos, realizamos los cálculos aritméticos usando el sistema

numérico decimal (base 10); las computadoras hacen los cálculos aritméticos usando el

sistema numérico binario (base 2).

Al traducir los tipos numéricos existentes a notación binaria queda claro que las

operaciones realizadas no necesariamente son exactas por lo tanto van acumulado

diferencias (errores) en cada una de las operaciones.

Ea=imprecisión=incertidumbre

La diferencia entre el número exacto A y su valor aproximado a se llama error.

Como normalmente no se conoce A entonces es preferible hablar del valor absoluto de

la diferencia entre A y a o sea |𝐴 − 𝑎|

Error relativo: Es el cociente (la división) entre el error absoluto y el valor exacto. Si se

multiplica por 100 se obtiene el tanto por ciento (%) de error. Al igual que el error absoluto

puede ser positivo o negativo (según lo sea el error absoluto) porque puede ser por

exceso o por defecto. no tiene unidades.

Error relativo es el que nos indica la calidad de la medida. Es el cociente entre el error

absoluto y el valor que damos como representativo (la media aritmética). Se puede dar

en % de error relativo.

1. Error por redondeo

Errores de redondeo: Se producen cuando los números tienen un límite de cifras

significativas que se usan para representar números exactos.

Es aquel tipo de error en donde el número significativo de dígitos después del punto

decimal se ajusta a un número específico provocando con ello un ajuste en el último

dígito que se toma en cuenta.

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Los errores de redondeo resultan de representar aproximadamente números que son

exactos.

a. Método común

Las reglas del redondeo se aplican al decimal situado en la siguiente posición al número

de decimales que se quiere transformar, es decir, si tenemos un número de 3 decimales

y queremos redondear a 2, se aplicará las reglas de redondeo:

Dígito menor que 5: Si el siguiente decimal es menor que 5, el anterior no se modifica.

Ejemplo 1: 12,612. Redondeando a 2 decimales deberemos tener en cuenta el tercer

decimal: 12,612=12,61.

Dígito mayor que 5: Si el siguiente decimal es mayor o igual que 5, el anterior se

incrementa en una unidad.

Ejemplo 2: 12,618. Redondeando a 2 decimales deberemos tener en cuenta el tercer

decimal:

12,618= 12,62.

Ejemplo 3: 12,615. Redondeando a 2 decimales deberemos tener en cuenta el tercer

decimal:

12,615= 12,62.

Ejemplo 4:

Redondear los siguientes números: 12.7852; 394.261; 6.265001; 147.5; 158.5 hasta tres

cifras.

12.7852 la cifra a omitir es 8 > 5 entonces se suma 1 a 7 o sea queda 12.8

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394.261 la cifra a omitir es 2 < 5 entonces se deja igual o sea queda 394

6.265001 la cifra a omitir es 5 ≥ 5 entonces se suma 1 a 6 o sea queda 6.27

147.5 la cifra a omitir es 5 ≥ 5 entonces se suma 1 a 7 o sea queda 148

Esto genera errores de redondeo

En ambos casos tenemos que:

Valor verdadero = valor aproximado + error

Definición. Definimos el error absoluto como:

Error absoluto = valor verdadero - valor aproximado

2. Error por truncamiento.

Para llevar a cabo operaciones de algunas funciones matemáticas los compiladores

ejecutan estas funciones utilizando series infinitas de términos, pero es difícil llevar a

cabo estos cálculos hasta el infinito, por lo tanto, la serie tendrá que ser truncada.

Truncamiento es el término usado para reducir el número de dígitos a la derecha del

punto decimal, descartando los menos significativos.

Por ejemplo

Dados los números reales:

3,14159265358979…

32,438191288

6,3444444444444

Para truncar estos números a dígitos decimales, sólo consideramos los 4 dígitos a la

derecha de la coma decimal.

El resultado es:

3,1415

32,4381

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6,3444

En algunos casos, el truncamiento dará el mismo resultado que el redondeo, pero el

truncamiento no redondea hacia arriba ni hacia abajo los dígitos, meramente los corta en

el dígito especificado. El error de truncamiento puede ser hasta el doble del error máximo

que se puede tener usando redondeo.

Los errores de truncamiento, resultan de representar aproximadamente un procedimiento

matemático exacto.

Los errores de truncamiento tienen relación con el método de aproximación que se usará

ya que generalmente frente a una serie infinita de términos, se tenderá a cortar el número

de términos, introduciendo en ese momento un error, por no utilizar la seria completa

(que se supone es exacta).

En una iteración, se entiende como el error por no seguir iterando y seguir

aproximándose a la solución. en un intervalo que se subdivide para realizar una serie de

cálculos sobre él, se asocia al número de paso, resultado de dividir el intervalo “n” veces.

3. Error numérico total

El error numérico total se entiende como la suma de los errores de redondeo y

truncamiento

introducidos en el cálculo.

Pero aquí surge un problema. Mientras más cálculos se tengan que realizar para obtener

un

resultado, el error de redondeo se irá incrementando. Pero, por otro lado, el error de

truncamiento se puede minimizar al incluir más términos en la ecuación, disminuir el paso

a proseguir la iteración (es decir mayor número de cálculos y seguramente mayor error

de redondeo):

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Por eso al trabajar con números aproximados es necesario saber resolver los problemas

siguientes:

1) Dar las características matemáticamente de la exactitud de los números aproximados

2) Conociendo el grado de precisión de los datos iniciales, estimar el grado de precisión

del resultado.

3) Elegir los datos iniciales con el grado de precisión que asegure la precisión prefijada

del resultado;

4) Construir del modo óptimo el proceso de cálculo para no efectuar cómputo que no

influyan sobre las cifras exactas del resultado.

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F. Errores

1. Propagación del error en las operaciones elementales

a. Suma y resta

1 2 1 2

1 2 1 2

1 21 2

1 2 1 2

1 2 1 2

1 2

1 2

1 2 1 2

,

, ,

x x

y x x x x

x x x x

y x x

Y x x x x

Y Ye e x x e x x e

x x

e e e

y el error relativo es

x xer er er er

x x x x

b. Producto

1 2 1 2

1 2

1 2 1 2

. 2 1

, .

y x x x x

y x x

Y x x x x

e e x e x e

er er er

c. División

1 2 1 2

1 2 1 2

1

1 2 2

2

1

/ 2

2 2

/

, 0

1y x x x x

y x x x x

xY x x x

x

xe e e e

x x

er er er er

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d. Raíz cuadrada

0

1

2

0.5

y xx

y xx

Y x x x

e e ex

er er er

Diremos que una operación elemental es estable, si dada una cota para los errores

inherentes relativos, los errores propagados relativos se mantienen acotados por un valor

independiente de los datos de entrada.

2. Representación de números

a. Sistemas de numeración

Nuestro sistema de numeración es posicional. Un sistema de numeración posicional

queda caracterizado por la base (B) que debe ser un numero natural mayor o igual a 2 y

por un conjunto de B símbolos que determinan el” alfabeto” del sistema de numeración,

debiendo representar los mismos los enteros de 0 a B-1.

En nuestro sistema decimal: B=10, y los dígitos son: 0, 1, 2, …,9 la representación de un

numero racional es como sigue:

1 0 1 1... , ... 0 9

10

M M N i i

Mn

n

n N

x a a a a a a a a N

x a

Las computadoras representan internamente los números en sistema binario. Aquí los

‘bits’ juegan el papel de los factores de las sucesivas potencias de 2 en la

descomposición de un numero:

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1 0 1 1... , ... 2 0 1M

n

M M N n n n

n N

x a a a a a a a a a

Ejemplos

0 1 2

2

1 0 1

0 1 2 3

101 1.2 0.2 1.2 5

11,1 1.2 1.2 1.2 3.5

1011 1.2 1.2 0.2 1.2 11

b. Representación en sistemas de punto fijo

Se toman dos números fijos 1 2n y n tales que 1 2n n n asignándose 1n

lugares a los dígitos enteros y 2n lugares a los dígitos decimales.

Ejemplos

Si n=10, 1n=4 y 2n =6

25.543 se representara 0025 543000

0.0673 se representara 0000 067300

En este tipo de representación el numero 16537 no se representa a pesar de tener solo

5 dígitos.

c. Representación en sistemas de punto flotante

En este sistema cada número real puede ser representado en la forma:

.10 , 1,bx a con a b Z

Donde el exponente: b indica la posición del punto decimal con respecto al primer digito

de la mantisa: a.

Se dice que un sistema es de punto flotante normalizado si imponemos a la mantisa la

condición que su primer digito después del punto decimal sea distinto de cero, o sea:

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0.1 1a

Una computadora asigna una cantidad finita de t cifras para la mantisa y otra de e cifras

para el exponente de modo que:

N =t + e

Ejemplos

Si n=6, t=4 y e=2

6385 se representara 6385 04

25.5 se representara 2550 02

Nosotros consideraremos solamente sistemas de representación de punto flotante

normalizado y la correspondiente aritmética de punto flotante.

d. Corte o truncamiento

Dado un número real dentro del rango de la máquina, procedemos a escribirlo en punto

flotante normalizado:

1 2 1

1 2

10 0. ...

0. ...

10

b

t t

t

b

x a con a a a a a

Definimos

a signo a a a a

x a

Será almacenado exactamente en la maquina como aproximación de x por

truncamiento.

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e. Redondeo o redondeo simétrico

1 2 1

1 2 1

1 2 1

10 0. ...

0. ... 0 4

0. ... 10 5

10

b

t t

t t

t

t t

b

x a con a a a a a

Definimos

a a a si aa signo a

a a a si a

x a

Será almacenado exactamente en la maquina como aproximación de x por redondeo.

Error relativo máximo de representación

Si x pertenece al rango de la máquina, de las dos formas de almacenamiento vistas

anteriormente deducimos que:

1

1

10

10

0.510

10 10

0.110 0.510

b

t

t

b t

x b t

x a y

truncamientoa a

redondeo

de donde

x x a a a a corteer

x a redondeo

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20

PRACTICA

1) Sean 𝑥 =5

7 𝑒 𝑦 =

1

3 y se usa truncamiento a 5 cifras para los cálculos

aritméticos donde intervienen 𝑥 𝑒 𝑦. Complete la siguiente tabla considerando

como valor verdadero el valor de x e y que ofrece su calculadora.

resultado Valor real Error

absoluto

Error relativo

x+y

x-y

x.y

x/y

2) Evaluar 𝑓(𝑥) = 𝑥3 − 6.1𝑥2 + 3.2𝑥 + 1.5 en 𝑥 = 4.71 con aritmética de tres

cifras, considere valor exacto el numero que le da la calculadora con todos los

decimales. Calcule los errores relativos usando truncamiento y redondeo.

𝑥 𝑥2 𝑥3 6.1𝑥2 3.2𝑥 𝑓(4.71)

exacto

truncamiento

redondeo

3) Repetir el procedimiento, pero considerando que:

𝑓(𝑥) = 𝑥3 − 6.1𝑥2 + 3.2𝑥 + 1.5 = ((𝑥 − 6.1)𝑥 + 3.2)𝑥 + 1.5

Observar que usando la última expresión los errores disminuyen.

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21

3. Notación Decimal

La expresión 1563 en base 10 se puede escribir

Todo número en base 10 tiene la siguiente notación

4. Notación Binaria

NOTACION DECIMAL NOTACION BINARIA

0 0

1 1

2 10

3 11

4 100

5 101

6 110

7 111

8 1000

9 1001

En el nivel superior se encuentra los números complejos, un ejemplo podría ser 3 + 4 𝑖,

donde la parte real es 3 y la parte imaginaria es 4.

Todo número real se puede clasificar en un número racional e irracional, un número

racional es de la forma 𝑚

𝑛, 𝒎, 𝒏 ∈ 𝒁 y un número es irracional cuando no se puede

escribir de la forma 𝑚

𝑛, ejemplo 𝜋 = 3.141516 ….

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22

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23

Ejemplo 1

Transformar el número de base 2 a un número en base 10

Solución:

Ejemplo 2

Transformar el número de base 10 a un número en base 2

Solución:

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24

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25

Ejemplo 5

Ejemplo 6

G. Raíces De Ecuaciones

1. Método de Graficación

Es el proceso es de simple tabulación y, donde se halle un cambio de signo en los valores

de f (x), ahí se puede ir encajonando la raíz, pero sólo de forma de ubicación, con mucha

imprecisión por su puesto.

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26

Ejemplo:

Hallar las raíces de

Solución

2x)x3cos(85)x(f

x y = f(x)

-3.5 -3.445705

-3.0 3.289042

-2.5 -4.023083

-2.0 -6.68136

-1.5 4.436366

-1.0 11.919940

-0.5 4.184102

0.0 -3.000000

0.5 4.184102

1.0 11.919940

1.5 4.436366

2.0 -6.68136

2.5 -4.023083

3.0 3.289042

3.5 -3.445705

???RAÍZ]5.3;0.3[

???RAÍZ]0.3;5.2[

???RAÍZ]0.2;5.1[

???RAÍZ]5.0;0.0[

???RAÍZ]0.0;5.0[

???RAÍZ]5.1;0.2[

???RAÍZ]5.2;0.3[

???RAÍZ]0.3;5.3[

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27

x y = f(x)

-3.5 -3.445705

-3.0 3.289042

-2.5 -4.023083

-2.0 -6.68136

-1.5 4.436366

-1.0 11.919940

-0.5 4.184102

0.0 -3.000000

0.5 4.184102

1.0 11.919940

1.5 4.436366

2.0 -6.68136

2.5 -4.023083

3.0 3.289042

3.5 -3.445705

2x)x3cos(85)x(f

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28

En la figura anterior y esta se

han indicado los cambios de

signo en la figura con un círculo

y además con una flecha.

2. Método de bisección

El proceso es de encajonamiento:

El proceso es de encajonamiento continuará hasta cumplir la tolerancia:

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29

Si se tiene que fC[a,b], o sea la función f es continua en el intervalo [a, b], y si f (a)

f (b)<0 entonces se tiene () un punto t ] a, b [ tal que f (t) = 0, este t se consigue

usando un algoritmo que efectúe lo visto en las figuras anteriores:

ALGORITMO:

Paso1: Definir f (x), // función continua en [a,b]

Paso2: Entrar a, b, error; // tolerancia

Paso3:

Paso4: if (f (t)*f (a)<0) { b=t ; }

Paso5: en otro caso { a=t ; }

Paso6: if (abs(a - b )>error) ir a (3)

Paso7: Publicar [a, b]; // Intervalo final

Paso8: Parar.

Ejemplo de Bisección:

Si fuera el caso de la función

y la estudiamos en el intervalo [a, b] = [4, 5], donde claramente se tiene que

f(a)*f(b)<0 pues

rEba

3)3x()x(f 2

2

abt

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30

(f(4) = - 2)*( f(5) = 1) = - 2<0

Resultados

Teorema

Sea fC[a,b] y supongamos que f(a)f(b)<0. El procedimiento de bisección genera una

sucesión {tn} que se aproxima a t con la propiedad

n a t b f(a) f(t) f(b) error 1 4.00 4.50 5.00 -2.000 -0.750 1.000 0.5

2 4.50 4.75 5.00 -0.750 0.063 1.000 0.25

3 4.50 4.63 4.75 -0.750 -0.359 0.063 0.125

4 4.63 4.69 4.75 -0.359 -0.152 0.063 0.0625

5 4.69 4.72 4.75 -0.152 -0.046 0.063 0.03125

6 4.72 4.73 4.75 -0.046 0.008 0.063 0.01563

7 4.72 4.73 4.73 -0.046 -0.019 0.008 0.00782

.1 ,2

nab

ttnn

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31

3. Método de las cuerdas

El proceso es muy parecido al anterior. La diferencia está en que este por construcción

camina proporcionalmente hacia la raíz a la vez que va encajonándola:

El proceso acercamiento a la Raíz:

rEttnn

1

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32

Si se tiene que , o sea la función f es continua en el intervalo [a, b],

y si entonces se tiene un punto t ] a, b [ tal que f (t) = 0, este t

se consigue usando un algoritmo que efectúe lo visto en las figuras anteriores:

Algoritmo

Paso1: Definir f (x), // función continua en [a,b]

Paso2: Entrar a, b, error; r=a;// tolerancia

Paso3:

Paso4: if (f (t)*f (a)<0) { b=t ; }

Paso5: en otro caso { a=t ; }

Paso6: if abs(r - t )>error r=t; ir a 3

Paso7: Publicar t ; // como raíz

Paso8: Parar.

Ejemplo de Cuerdas

Si fuera el caso de la función

y la estudiamos en el intervalo [a, b] = [3, 5],

donde claramente se tiene que f(a)*f(b)<0 pues ( f(4) = - 3)*( f(5) = 1) = - 3<0

Resultados

)b(f)a(f

ba)b(fbt

]b,a[Cf

0)b(f)a(f

3)3x()x(f 2

a t b f (a) f (t) f (b) 1 nn tt

3.00 4.500 5.00 -3.000 -0.7500 1.00 1.5

4.50 4.714 5.00 -0.750 -0.0612 1.00 0.21429

4.71 4.730 5.00 -0.061 -0.0044 1.00 0.01649

4.73 4.732 5.00 -0.004 -0.0003 1.00 0.00119

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33

4. Método de Newton

El proceso es que toma la dirección de la recta tangente en un punto de la función f hasta

la intersección con eje x. Este último punto es muy cercano al de la raíz. Si el método se

repite se llega a la raíz:

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34

El proceso acercamiento a la Raíz continuará hasta cumplir la tolerancia:

Es decir, cuando

Si se tiene que, o sea la función f es continua en el intervalo [a, b], y

si entonces se tiene un punto

t ] a, b [ tal que f (t) = 0, este t se consigue usando un algoritmo que efectúe lo visto

en las figuras anteriores:

Algoritmo

Paso1: Definir f (x), f ’ (x),

// función continua en [a,b]

Paso2: Entrar x0 , error; // tolerancia

Paso3:

Paso4: if abs(x0 - t )>error; x0 = t

ir al Paso3;

Paso5: Publicar t ; // como raíz

Paso6: Parar.

0)b(f)a(f

)x('f

)x(fxt

0

0

0

rEttnn

1

]b,a[Cf 2

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35

Ejemplo de Newton

Si fuera el caso de la función y la estudiamos en el intervalo [a, b]

= [4, 5], donde claramente se tiene que f(a)*f(b)<0 pues

( f(4) = - 2)*( f(5) = 1) = - 2<0

Resultado

5. Método de la Secante

El proceso es tomar dos puntos muy cercanos para las x y sus correspondientes

ordenadas; es de estas, de donde se traza un secante en la f, esta secante es la que se

acerca a la raíz en la intersección con eje x.

n x0 f (x0) f ’ (x0) t 1 nn tt

1 5.0000 1.0000 4.0000 4.7500 0.2500

2 4.7500 0.0625 3.5000 4.7321 0.01786

3 4.7321 0.0003189 3.4643 4.7321 0.000093

3)3x()x(f 2

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36

Si se tiene que , o sea la función f es continua en el intervalo [a, b], y si

entonces se tiene un punto t ] a, b [ tal que f (t) = 0, este t se consigue usando

un algoritmo que efectúe lo visto en las figuras anteriores:

rExxnn

1

]b,a[Cf

]b,a[Cf

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37

Algoritmo

Paso1: Definir f (x), // función continua en [a,b]

Paso2: Entrar x0, x1, error; // tolerancia

Paso3:

Paso4: if abs(x1 - t )>error; x0 = x1

x1 = t, ir al Paso3;

Paso5: Publicar t ; // como raíz

Paso6: Parar.

Ejemplo de la Secante

Si fuera el caso de la función

y la estudiamos en el intervalo [a, b] = [4, 5], donde claramente se tiene que

f(a)*f(b)<0 pues ( f(4) = - 2)*( f(5) = 1) = - 2<0

Solución:

)x(f)x(f

)xx)(x(fxt

01

011

1

3)3x()x(f 2

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38

6. Método punto fijo

a. Teorema 1

Si gC[a,b] y g(x)[a,b] para toda x[a,b], entonces g tiene un punto fijo en [a, b]. Si,

además, g’(x) existe en ]a, b[ y |g’(x)|≤k<1 para toda x]a,b[, (*)

entonces, g tiene un punto fijo único t en [a, b].

b. Teorema 2

Sea gC[a,b] y supongamos que g(t)[a,b] para todo t[a,b]. Además, supongamos que

g’ existe en ]a, b[ con |g’(t)|≤k<1 para toda t]a,b[. (1)

Si t0 es cualquier número en [a, b], entonces la sucesión definida por

tn=g(tn), n1,

converge al único punto fijo t en [a, b].

x0 x1 f(x0) f (x1) t 1xt

5.0000 4.9000 1.0000 0.6100 4.7436 0.1565

4.9000 4.7436 0.6100 0.04011 4.7326 0.01101

4.7436 4.7326 0.04011 0.001843 4.7321 0.0005302

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39

Corolario

Si g satisface las hipótesis del teorema, una cota para el error involucrado al usar tn para

aproximarnos a t está dada por:

para cada n1

H. Tipos de convergencia

1. Convergencia monótona

2. Convergencia Oscilatoria

00

n

ntb ;at Máxktt

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3. Divergencia Monótona

4. Divergencia oscilatoria

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41

CAPÍTULO II: ECUACIONES ALGEBRAICAS LINEALES

A. Matrices

485

276

953Filas

Columnas

1. Matriz cuadrada

Es cuando tiene el mismo número de filas y columnas.

Ejemplo:

53

42

963

852

741

2x2 Matriz de orden 2 3x3 Matriz de orden 3

B. Determinantes

Cada matriz tiene un valor al cual se le llama determinante.

Asociado a cada matriz cuadrada A hay un número llamado determinante de A.

Determinante de A se puede escribir de dos formas:

• |A| determinante de A (no lo confundan con el signo del valor absoluto de un

número real).

• Det (A) Esta se utiliza a veces en lugar de |A| para evitar la confusión.

Una matriz es de primer orden cuando únicamente tiene un solo elemento y 11aA y

definimos la determinante de A como 11aA

Ahora si la matriz A es una matriz cuadrada de segundo orden tendremos una matriz de

2 x 2 de modo que

3x3ColumnaxFila

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42

2221

1211

aa

aaA

Para hallar el determinante de esta matriz se realiza de la siguiente manera:

Ejemplo:

1. Determinante de 3er. Orden

Para su cálculo usaremos la REGLA DE SARRUS

• Se repite las dos primeras filas a continuación de las existentes, después de lo

cual:

• Se suman los resultados de multiplicar los elementos de la diagonal principal y las

dos paralelas a ellas que tengan 3 elementos, obteniendo DP.

• Se suman los resultados de multiplicar los elementos de la diagonal secundaria y

las dos paralelas a ellas que tengan 3 elementos, obteniendo DS.

• El valor del determinante estará dado por:

= DP – DS

es una matriz cuadrada de segundo orden

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43

Ejemplo:

1 2 3

4 5 6

7 8 9

Entonces:

Aplicando: = DP - DS

= 225 – 225 = 0

2. Determinante de una matriz 3x3 por cofactores

Definición: el determinante de |A| de una matriz cuadrada de tercer orden se define así:

131312121111

333231

232221

131211

AaAaAa

aaa

aaa

aaa

A

En esta definición se establece un patrón de multiplicar cada elemento de la fila 1 por su

cofactor, luego se suman todos los resultados para hallar |A|. A este proceso se le conoce

como expandir |A| por primera fila, pero podemos expandir |A| por cualquier fila o

columna.

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44

3. Teorema de expansión de determinantes

El determinante de una matriz A de orden puede evaluarse multiplicando cada entrada

en cualquier fila o (columna) por su cofactor y sumando los productos resultantes.

Ejemplo:

Hallar el determinante de |A |

321

542

356

A

Primero hallamos los cofactores de la primera fila

Cofactor de 11A 616166211

Cofactor de 12A 515155321

Cofactor de 13A 313133431

Luego hallamos los menores de la primera fila

32

54 M

321

542

356

11A

31

52 M

321

542

356

12A

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45

21

42 M

321

542

356

13A

Ahora lo colocamos como la definición

131312121111

333231

232221

131211

AaAaAa

aaa

aaa

aaa

A

21

423

31

525

32

546

321

542

356

A

Ahora operamos

412231532525346

7755132

03115226

4. Teorema sobre una fila o columna de ceros

Si todo elemento de una fila (o columna) de una matriz cuadrada A es cero, entonces

.0A

Ejemplo:

Calcule el determinante de

523

405

301

A

Observa cuidadosamente la matriz A y veras que la segunda

columna tiene varias entradas a cero. Por lo que hallaremos el

determinante por la segunda columna.

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46

2215420045

312

53

310

53

450A

523

405

301

A

Ejemplo 2:

Calcule el determinante de:

6251

0032

4010

3001

A

Desarrollamos A

43

43332313

4343333323231313

2

2000

A

AAAA

AaAaAaAaA

6251

0032

4010

3001

A

032

410

301

22 43A

32

103

02

400

03

411122

34

43A

12626122301212

Observa cuidadosamente la matriz A y veras que la tercera

columna tiene varias entradas a cero. Por lo que

hallaremos el determinante por la tercera columna.

Ahora desarrollamos el determinante por la primera fila de

A43 así

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47

5. Regla de cramer para dos variables

Regla de Cramer para dos variables.

D

Dx

x

D

Dy

y

Aplicación de la regla de Cramer en la solución de sistemas de dos ecuaciones lineales.

Utiliza la regla de Cramer para resolver el sistema:

175

432

yx

yx

Primero coloca las variables X y Y tomando los coeficientes de las variables así:

1 7 5

4 3 2

yx

yx

75

32D

291514357275

32

D

Segundo coloca los números que se encuentran después del igual ( en azul) y los

coeficientes de las variables de y para encontrar xD

1 7 5

4 3 2

yx

yx

71

34xD

25328317471

34

xD

Tercero coloca los coeficientes de las variables de x luego los números que se

encuentran después del igual ( en azul) yD

1 7 5

4 3 2

yx

yx

Hallar el determinante D

Hallar el determinante xD

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48

15

42yD

22202451215

42

yD

Colocamos nuestras respuestas en el orden indicado así =

Mis respuestas son:

22

25

29

y

x

D

D

D

29

25

D

Dx

x

29

22

D

Dy

y

6. Regla de cramer (FORMA GENERAL)

D

Dx

D

Dx

D

Dx

xn

n

xx ...,

2

2

1

1

Uso de la regla de Cramer para resolver un sistema de tres ecuaciones lineales.

052

13

32

zx

zy

zx

Hallar la determinante D

94512251152

211

502

310

201

D

Hallar la determinante xD

1501512053150

231

500

311

203

xD

Hallar el determinante yD

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49

Hallar la determinante yD

27225292051

213323051131

232

50

311

502

310

231

yD

Hallar la determinante zD

66013201102

311

002

110

301

zD

Solución:

3

2

9

6,3

9

27,

3

5

9

15

D

Dz

D

Dy

D

Dx

zyx

C. Método de Gauss

El método de Gauss consiste en transformar un sistema de ecuaciones en otro

equivalente de forma que éste sea escalonado.

Para facilitar el cálculo vamos a transformar el sistema en una matriz, en la que

pondremos los coeficientes de las variables y los términos independientes (separados

por una recta).

Resolver el siguiente sistema de ecuaciones:

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50

Ejemplo 1

3x +2y + z = 1

5x +3y +4z = 2

x + y - z = 1

Ejemplo 2

Clasificar y resolver el sistema:

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51

Ejemplo 3

Clasificar y resolver el sistema:

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52

D. Descomposición LU

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53

Su nombre se deriva de las palabras inglesas "Lower" y "Upper", que en español se

traducen como "Inferior" y "Superior". Estudiando el proceso que se sigue en la

descomposición LU es posible comprender el porqué de este nombre, analizando cómo

una matriz original se descompone en dos matrices triangulares, una superior y otra

inferior.

La descomposición LU involucra solo operaciones sobre los coeficientes de la matriz [A],

proporcionando un medio eficiente para calcular la matriz inversa o resolver sistemas

de álgebra lineal.

Primeramente, se debe obtener la matriz [L] y la matriz [U].

[L] es una matriz diagonal inferior con números 1 sobre la diagonal. [U] es una matriz

diagonal superior en la que sobre la diagonal no necesariamente tiene que haber

números 1.

El primer paso es descomponer o transformar [A] en [L] y [U], es decir obtener la matriz

triangular inferior [L] y la matriz triangular superior [U].

1. Pasos para encontrar la matriz triangular superior (matriz [U])

1.Hacer cero todos los valores abajo del pivote sin convertir este en 1.

2.Para lograr lo anterior se requiere obtener un factor el cual es necesario para convertir

a cero los valores abajo del pivote.

3.Dicho factor es igual al número que se desea convertir en cero entre el número pivote.

4.Este factor multiplicado por -1 se multiplica luego por el pivote y a ese resultado se le

suma el valor que se encuentra en la posición a cambiar (el valor en la posición que se

convertirá en cero). Esto es:

- factor * pivote + posición a cambiar

2. Pasos para encontrar la matriz triangular inferior (matriz [L])

Para encontrar la matriz triangular inferior se busca hacer ceros los valores de arriba de

cada pivote, así como también convertir en 1 cada pivote. Se utiliza el mismo concepto de

"factor" explicado anteriormente y se ubican todos los "factores" debajo de la diagonal

según corresponda en cada uno.

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54

Esquemáticamente se busca lo siguiente:

Originalmente se tenía:

Debido a que [A] = [L][U], al encontrar [L] y [U] a partir de [A] no se altera en nada la

ecuación y se tiene lo siguiente:

Por lo tanto, si Ax = b, entonces LUx = b, de manera que Ax = LUx = b.

PASOS PARA RESOLVER UN SISTEMA DE ECUACIONES POR EL MÉTODO DE

DESCOMPOSICIÓN LU

• Obtener la matriz triangular inferior L y la matriz triangular superior U.

• Resolver Ly = b (para encontrar y).

• El resultado del paso anterior se guarda en una matriz nueva de nombre "y".

• Realizar Ux = y (para encontrar x).

• El resultado del paso anterior se almacena en una matriz nueva llamada "x", la

cual brinda los valores correspondientes a las incógnitas de la ecuación.

Ejemplo 1

Encontrar los valores de x1, x2 y x3 para el siguiente sistema de ecuaciones:

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55

Recuérdese que si la matriz es 2x2 se hará 1 iteración; si es 3x3, 2 iteraciones; si es 4x4,

3 iteraciones; y así sucesivamente.

SOLUCIÓN:

4 - 2 - 1

9

[A] = 5 1 - 1

[B] = 7

1 2 - 4

12

ITERACIÓN 1

factor 1 = (a21 / a11) = 5 / 4 = 1.25

factor 2 = (a31 / a11) = 1 / 4 = 0.25

Encontrando [U]

fila 2 = - (factor 1) * (fila 1) + (fila 2)

fila 3 = - (factor 2) * (fila 1) + (fila 3)

a11 = a11

a12 = a12

a13 = a13

a21 = - (1.25) * (4) + (5) = 0

a22 = - (1.25) * (- 2) + (1) = 3.5

a23 = - (1.25) + (- 1) + (- 1) = 0.25

a31 = - (0.25) * (4) + (1) = 0

a32 = - (0.25) * (- 2) + (2) = 2.5

a33 = - (0.25) * (- 1) + (- 1) = - 0.75

4 - 2 - 1

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56

[U] = 0 3.5 0.25

0 2.5 - 0.75

Encontrando [L]

1 0 0

[L] = 1.25 0 0

0.25 0 0

ITERACIÓN 2

factor 3 = (u32 / u22) = 2.5 / 3.5 = 0.7142857143

Encontrando [U]

fila 3 = - (factor 3) * (fila 2) + (fila 3)

a31 = - (2.5 / 3.5) * (0) + (0) = 0

a32 = - (2.5 / 3.5) * (3.5) + (2.5) = 0

a33 = - (2.5 / 3.5) * (0.25) + (- 0.75) = - 0.9285714286

4 - 2 - 1

[U] = 0 3.5 0.25

0 0 - 0.9285714286

Encontrando [L]

1 0 0

[L] = 1.25 1 0

0.25 0.7142857143 1

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57

Ahora ya se tiene la matriz [U] y la matriz [L]. El siguiente paso es resolver

Ly = b para encontrar la matriz y. En pocas palabras es como que se pidiera resolver el

siguiente sistema de ecuaciones, encontrando los valores de y1, y2 y y3:

Al resolver el sistema anterior, se obtienen los siguientes valores para y1, y2 y y3:

El último paso es resolver Ux = y para encontrar la matriz x. En otras palabras, es como

que se pidiera resolver el siguiente sistema de ecuaciones, encontrando los valores de

x1, x2 y x3:

La solución del sistema es:

Este es finalmente el valor de x1, x2 y x3; es decir, la respuesta del ejercicio utilizando la

descomposición LU.

EJEMPLO 2

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58

Encontrar los valores de x1, x2 y x3 para el siguiente sistema de ecuaciones:

SOLUCIÓN:

11 - 3 - 2

18

[A] = 5 - 2 - 8

[B] = 13

4 - 7 2

2

ITERACIÓN 1

factor 1 = (a21 / a11) = 5/11 = 0.4545454545

factor 2 = (a31 / a11) = 4/11 = 0.3636363636

Encontrando [U]

fila 2 = - (factor 1) * (fila 1) + (fila 2)

fila 3 = - (factor 2) * (fila 1) + (fila 3)

a11 = a11

a12 = a12

a13 = a13

a21 = - (0.4545454545) * (11) + (5) = 0

a22 = - (0.4545454545) * (- 3) + (- 2) = - 0.6363636365

a23 = - (0.4545454545) + (- 2) + (- 8) = - 7.0909090919

a31 = - (0.3636363636) * (11) + (4) = 0

a32 = - (0.3636363636) * (- 3) + (- 7) = - 5.909090909

a33 = - (0.3636363636) * (- 2) + (2) = 2.7272727272

11 -3 -2

[U] = 0 - 0.6363636365 - 7.0909090919

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59

0 - 5.909090909 2.7272727272

Encontrando [L]

1 0 0

[L] = 0.45454545 0 0

0.36363636 0 0

ITERACIÓN 2

factor 3 = (u32/u22) = - 5.909090909 / - 0.6363636365 = 9.285714284

Encontrando [U]

fila 3 = - (factor 3) * (fila 2) + (fila 3)

a31 = - (9.285714284) * (0) + (0) = 0

a32 = - (9.285714284) * (- 0.6363636365) + (- 5.909090909) = 0

a33 = - (9.285714284) * (- 7.0909090919) + (2.7272727272) = 68.57142857

11 - 3 - 2

[U] = 0 - 0.6363636365

-

7.0909090919

0 0 68.57142857

Encontrando [L]

1 0 0

[L] = 0.4545454545 1 0

0.3636363636 9.285714284 1

Ahora ya se tiene la matriz [U] y la matriz [L]. El siguiente paso es resolver

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60

Ly = b para encontrar la matriz y. En pocas palabras es como que se pidiera resolver el

siguiente sistema de ecuaciones, encontrando los valores de y1, y2 y y3:

Al resolver el sistema anterior, se obtienen los siguientes valores para y1, y2 y y3:

El último paso es resolver Ux = y para encontrar la matriz x. En otras palabras, es como

que se pidiera resolver el siguiente sistema de ecuaciones, encontrando los valores de

x1, x2 y x3:

La solución del sistema es:

Este es finalmente el valor de x1, x2 y x3; es decir, la respuesta del ejercicio utilizando la

descomposición LU.

E. Método de Gauss-Seidel

El método de Gauss-Seidel es un método iterativo y por lo mismo resulta ser bastante

eficiente. Se comienza planteando el sistema de ecuaciones con el que se va a trabajar:

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61

De la ecuación 1 despejar x1, de la ecuación 2 despejar x2, …, de la ecuación n despejar

xn. Esto da el siguiente conjunto de ecuaciones:

Este último conjunto de ecuaciones son las que forman las fórmulas iterativas con las

que se va a estar trabajando. Para comenzar el proceso iterativo, se le da el valor de

cero a las variables x2,…, xn; esto dará un primer valor para x1. Más precisamente, se

tiene que:

Enseguida, se sustituye este valor de x1 en la ecuación 2, y las variables x3,…, xn siguen

teniendo el valor de cero. Esto da el siguiente valor para x2:

Estos últimos valores de x1 y x2, se sustituyen en la ecuación 3, mientras que x4,…, xn

siguen teniendo el valor de cero; y así sucesivamente hasta llegar a la última ecuación.

Todo este paso arrojará una lista de primeros valores para las incógnitas, la cual

conforma el primer paso en el proceso iterativo. Para una mejor comprensión esto se

simbolizará de esta forma:

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62

Se vuelve a repetir el proceso, pero ahora sustituyendo estos últimos datos en vez de

ceros como al inicio. Se obtendrá una segunda lista de valores para cada una de las

incógnitas, lo cual se simbolizará así:

En este momento se pueden calcular los errores aproximados relativos, respecto a cada

una de las incógnitas. La lista de errores se presenta a continuación:

El proceso se vuelve a repetir hasta que:

donde se debe prefijar convenientemente.

EJEMPLO 1

Usar el método de Gauss-Seidel para aproximar la solución del sistema:

hasta que

SOLUCIÓN:

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63

Primero se despejan las incógnitas x1, x2 y x3 de las ecuaciones 1, 2 y 3

respectivamente. Se tiene:

Estas últimas son el juego de fórmulas iterativas que se estará utilizando.

Se comienza el proceso iterativo sustituyendo los valores de x2 = x3 = 0 en la primera

ecuación, para calcular el valor de x1:

Ahora se sustituye y x3 = 0 en la segunda ecuación para obtener x2:

Ahora se sustituye y en la tercera ecuación para obtener x3:

Así se tiene la primera aproximación a la solución del sistema:

Puesto que todavía no se puede calcular ningún error aproximado, se repite el proceso

pero ahora con los últimos datos obtenidos para las incógnitas:

Sustituyendo y en la ecuación 1 se

obtiene Sustituyendo y en la ecuación 2 se

obtiene finalmente, sustituyendo y en la

ecuación 3 se obtiene . Es así como se tiene la segunda lista de valores de

aproximación a la solución del sistema:

Ahora se pueden calcular los errores absolutos para cada una de las incógnitas:

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64

Puesto que no se ha logrado el objetivo, se debe repetir el mismo proceso con los últimos

valores obtenidos de cada una de las incógnitas. Nótese que, aunque el error

aproximado ya cumple con ser menor al 1%, esto se debe cumplir para los tres

errores aproximados. Por lo tanto, se repite el mismo proceso. Omitiendo los pasos

intermedios, se obtiene:

En este caso se tienen los siguientes errores aproximados:

Se puede observar que ahora se ha cumplido el objetivo para cada uno de los errores

aproximados. Por lo tanto, se concluye que la solución aproximada es:

Importante observación respecto al método de Gauss-Seidel: Es lógico preguntarse

si siempre el método de Gauss-Seidel converge a la solución del sistema de ecuaciones

y también es lógico esperar que la respuesta es NO.

Un resultado de Análisis numérico da una condición suficiente para la convergencia del

método.

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65

Teorema: El método de Gauss-Seidel converge a la solución del sistema si se cumple

la condición de que la matriz de coeficientes del sistema sea una matriz diagonalmente

dominante, es decir, si se cumple la siguiente condición:

La condición de ser una matriz diagonalmente dominante simplemente significa que los

elementos de la diagonal son mayores (en valor absoluto) que la suma de los valores

absolutos de los demás elementos del mismo renglón. Nótese que en el ejemplo anterior,

la matriz sí es diagonalmente dominante y por lo tanto, el método de Gauss-Seidel sí

converge a la solución del sistema.

Sin embargo, la condición de la matriz diagonalmente dominante, solamente es una

condición suficiente pero no necesaria, es decir, existen sistemas de ecuaciones que no

cumplen con la condición y que sí convergen a la solución y también existen sistemas de

ecuaciones que no cumplen con la condición y que no convergen a la solución.

Finalmente, obsérvese que, aunque un sistema no cumpla con la condición de ser

diagonalmente dominante, es posible a veces, lograr que sí se cumpla con esta condición

mediante un intercambio de renglones:

EJEMPLO 2

Usar el método de Gauss-Seidel para aproximar la solución del sistema:

hasta que

SOLUCIÓN:

En este caso se puede observar que el sistema no es diagonalmente dominante, lo cual

se comprueba con los siguientes cálculos:

Primera fila:

|a11| > (|a12| + |a13|)

5 > (1.4 + 2.7)

5 > 4.1; es cierto.

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66

La condición se cumple para la primera fila.

Segunda fila:

|a22| > (|a21| + |a23|)

2.5 > (0.7 + 15)

2.5 > 15.7; no es cierto.

La condición no se cumple para la segunda fila.

|a33| > (|a31| + |a32|)

4.4 > (3.3 + 11)

4.4 > 14.3; no es cierto.

La condición no se cumple para la tercera fila.

Para que el sistema sea diagonalmente dominante, la condición debe cumplirse para

todas las filas. Por lo tanto, el sistema anterior no es diagonalmente dominante.

NOTA: Recuérdese que la diagonal principal está compuesta por a11, a22 y a33.

Sin embargo, al hacer el intercambio del renglón 2 por el renglón 3, se tiene el siguiente

sistema:

En este caso se puede observar que el sistema sí es diagonalmente dominante, lo cual

se comprueba con los siguientes cálculos:

Primera fila:

|a11| > (|a12| + |a13|)

5 > (1.4 + 2.7)

5 > 4.1; es cierto.

La condición se cumple para la primera fila.

Segunda fila:

|a22| > (|a21| + |a23|)

11 > (3.3 + 4.4)

11 > 7.7; es cierto.

La condición se cumple para la segunda fila.

|a33| > (|a31| + |a32|)

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67

15 > (0.7 + 2.5)

15 > 3.2; es cierto.

La condición se cumple para la tercera fila.

Para que el sistema sea diagonalmente dominante, la condición debe cumplirse para

todas las filas. En este caso efectivamente la condición se cumple para todas las filas,

por lo cual el sistema anterior es diagonalmente dominante. Por lo tanto, se procede a

despejar x1, x2 y x3 de las ecuaciones 1, 2 y 3 respectivamente:

Se comienza el proceso iterativo sustituyendo los valores de x2 = 0 x3 = 0 en la ecuación

1 para obtener x1:

Ahora se sustituye x1 = -18.84 y x3 = 0 en la ecuación 2 para obtener x2:

Por lo tanto, los valores obtenidos en la primera iteración son:

Puesto que sólo se tiene la primera aproximación de la solución del sistema, se debe

seguir avanzando en el proceso iterativo. Sustituyendo x2 = -3.152 y x3 = -0.04613 en la

ecuación 1, se obtiene x1 = -19.69765; sustituyendo x1 = -19.69765 y x3 = -0.04613 en

la ecuación 2, se obtiene x2 = -3.42775; sustituyendo x1 = -19.69765 y x2 = -3.42775 en

la ecuación 3, se obtiene x3 = -0.05207. Por lo tanto, la segunda aproximación es:

Ahora se pueden calcular los errores aproximados para cada una de las incógnitas:

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68

Puesto que no se ha cumplido el objetivo, se debe seguir avanzando en el proceso

iterativo. Se resumen los resultados de esta manera:

Tercera iteración:

Cuarta iteración:

Así, el objetivo se ha logrado hasta la cuarta iteración y se tiene que los valores

aproximados de la solución del sistema son:

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69

CAPÍTULO III: OPTIMIZACIÓN Y AJUSTE DE CURVAS

A. Ajuste Por Mínimos Cuadrados

Existen numerosas leyes físicas en las que se sabe de antemano que dos magnitudes x

e y se relacionan a través de una ecuación lineal y = ax + b

donde las constantes b (ordenada en el origen) y a (pendiente) dependen del tipo de

sistema que se estudia y, a menudo, son los parámetros que se pretende encontrar.

EJEMPLO: La fuerza F de tracción sobre un muelle y el alargamiento l que experimenta

éste están ligadas a través de una ley lineal:

l = (1/K)F

con ordenada en el origen cero y donde el inverso de la pendiente (K) es una

característica propia de cada muelle: la llamada constante elástica del mismo.

El método más efectivo para determinar los parámetros a y b se conoce como técnica de

mínimos cuadrados.

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70

CONSISTE EN SOMETER EL SISTEMA A DIFERENTES CONDICIONES, FIJANDO

PARA ELLO DISTINTOS VALORES DE LA VARIABLE INDEPENDIENTE X, Y

)2(

n

ΣxaΣyb

(1)ΣxΣxn

ΣyΣxyΣxna

ii

2

i

2

i

iiii

donde n es el número de medidas y representa la suma de todos los datos que se

indican.

Los errores en las medidas, se traducirán en errores en los resultados de a y b. Se

describe a continuación un método para calcular estos errores. En principio, el método

de mínimos cuadrados asume que, al fijar las condiciones experimentales, los valores yi

de la variable independiente se conocen con precisión absoluta (esto generalmente no

es así, pero lo aceptamos como esencial en el método). Sin embargo, las mediciones de

la variable x, irán afectadas de sus errores correspondientes, si es el valor máximo de

todos estos errores, entonces se tiene:

n

εΔb

(3)

xΣxΣn

εnΔa

2

i

n

1

2

i

n

1

La pendiente de la recta se escribirá aa , y la ordenada en el origen Δbb .

El coeficiente de correlación es otro parámetro para el estudio de una distribución

bidimensional, que nos indica el grado de dependencia entre las variables x e y. El

coeficiente de correlación r es un número que se obtiene mediante la fórmula:

)4(

ΣyΣynxΣΣxn

ΣyΣxyΣxnr

2

i

2

i

2

i

2

i

iiii

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71

Su valor puede variar entre 1 y -1.

Si r = -1 todos los puntos se encuentran sobre la recta existiendo una correlación que es

perfecta e inversa.

Si r = 0 no existe ninguna relación entre las variables.

Si r = 1 todos los puntos se encuentran sobre la recta existiendo una correlación que es

perfecta y directa.

Ejemplo: Supongamos un muelle sometido a tracción, se ha cargado el muelle con

diferentes pesos (F, variable independiente o y ) y se han anotado los alargamientos

(l variable dependiente o x)

Cargas

sucesivas F(yi)

gramos

Lecturas

sucesivas (xi)

L

mm

200 60

400 120

500 150

700 210

900 260

1000 290

n 6

xi 1090

xi2 236300

yi 3700

yi2 2750000

xiyi 806000

0,2

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72

con lo cual aplicando las expresiones [1] , [2], [3] y [4]

b = -18,4153; a =3,4959 ; b =0,08164966; a =0,00102217; r = 0,9995

Redondeando en la forma usual b = -18,42 ± 0,08 mm; a =3,50 ± 0,00 mm/Kp

No se debe olvidar que se persigue el valor de la constante elástica del muelle:

l

FaK

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73

CAPÍTULO IV: DIFERENCIACION E INTEGRACIÓN NUMÉRICA

A. Diferenciación Numérica

1. Fórmulas de alta exactitud

Supongamos que la aproximación es polinomial, entonces la diferenciación numérica

consiste en diferenciar la fórmula del polinomio interpolante que se utilizó

)()()( xRxPxf nn , la aproximación de la primera derivada estará dado por

dx

xdP

dx

xdf n )()( ,

En general n

nn

n

n

dx

xPd

dx

xfd )()(

Al diferenciar la formula fundamental de Newton se tiene,

n

nn

n

nn

n

n

dx

xRd

dx

xPd

dx

xfd )()()(

Donde: n

nn

dx

xRd )( es el error que se comete al aproximar

n

n

dx

xfd )( por

n

nn

dx

xPd )(.

Si suponemos que nXXXX ,,,, 210 son los valores de las x que son espaciados

igualmente luego Pn(x) se puede escribir en términos de diferencias finitas

002

000!

11

!2

1)()( xf

n

nsssxf

ssxfsxfshxPxP n

nn

Donde:

xfhxfxfxf

xfhxfxf

2

0

xfhxfhxf 22

En nuestro caso:

n

n

nnhn

xfxxxxxxxx

h

xfxxxx

h

xfxxxfxP

!)())()((

!2))(()()( 0

12102

02

100

00

Luego diferenciando

2

02

100

00!2

))(()()()(

h

xfxxxx

dx

d

h

xfxx

dx

dxf

dx

d

dx

xdP

dx

xdf n

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74

n

n

nhn

xfxxxxxxxx

dx

d

!)())()(( 0

1210

2

0

2

10

0

!2)2(

)()(

h

xfxxx

h

xf

dx

xdP

dx

xdf n

Consideremos para:

n =1: Esto quiere decir que la aproximación P1(x) es una recta, i.e.

h

xfxxxfxPPn

0001 )()(

Es decir, la primera derivada de f(x) queda aproximada por

01

0110

01 )()(,

)()(

xx

xfxfxxf

h

xf

dx

xdP

dx

xdf

h

xfxf

dx

xdf

h

xxf

xx

xfxf

dx

xdf )()()()()()()()( 0101

01

01

Y como se esperaba cualquier otra derivada de orden superior de f(x) quedara

aproximada a cero. 0)()(

2

12

2

2

dx

xPd

dx

xfd

OBSERVACIÓN:

En general equivale a tomar como primera derivada a la pendiente de la recta que pasa

por 00 , xfx y 11, xfx .

La primera derivada de f(x) en [x0, x1] queda aproximada por el valor constante

h

xfxf )()1( 0

(1) El valor de h

xfxf )()1( 0 es muy diferente al de

dx

xdf )(

Gráficamente:

f(x0)

X0

f(x1)

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75

Analicemos para n = 2; es decir aproximaremos f(x) por un polinomio P2(x) de grado 2.

2

02

100

002!2

))(()()(h

xfxxxx

h

xfxxxfxP

2

02

1002

!2)2(

)()(

h

xfxxx

h

xf

dx

xdP

dx

xdf

Desarrollando las diferencias:

)()(2)()()(2)2(

)()()()(

0120002

0100

xfxfxfxfhxfhxfxf

h

xfxf

h

xfhxfxf

)(2

2)(

2

2242)(

2

22)(22

1012

1002

10 xfh

xxxxf

h

hxxxxf

h

hxxx

dx

xdf

(*)

La segunda derivada puede calcularse derivando una vez más con respecto a x esto

es,

)(1

)(2

)(1)(

,,2)()(

2212022

2

2102

02

2

22

2

2

xfh

xfh

xfhdx

xfd

xxxfh

xf

dx

xPd

dx

xfd

De la misma manera se puede calcular derivando para n2.

El error cometido al aproximar n

n

dx

xfd )( por

n

nn

dx

xPd )( esta dado por

n

nn

dx

xRd )( donde Rn(x)

es:

n

x

n

iin xxxxxfxxxR ,,,,,)( 210

)(

0

nn xxxxxfxxR ,,,,,)()( 210

Observemos que existe una estrecha relación entre las diferencias divididas y las

derivadas en general esta relación está dada por:

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76

,!

)(,...,, 21,1 n

n

ndxn

fdxxxxf

Con perteneciente a (min. xi, máx. xi) con ni 0 , esto quiere

decir que es un valor de x desconocido del cual solo se sabe que se encuentra entre

los valores menor y mayor del argumento.

La Ecuación (*) se puede escribir en términos del error de la siguiente manera,

3

3

2010

22

1012

1002

10

!3

)())((

)(2

2)(

2

2242)(

2

22)(

dx

xfdxxxx

xfh

xxxxf

h

hxxxxf

h

hxxx

dx

xdf

, o simplemente

por

ix

xcondx

xfdhxfxfxf

hdx

xdf.max, xmin.en

)(

!3)()(4)(3

2

1)(i3

32

210

0

También para x1

ix

xcondx

xfdhxfxf

hdx

xdf.max, xmin.en

)(

!3)()(

2

1)(i3

32

02

1

Para x2

ix

xcondx

xfdhxfxfxf

hdx

xdf.max, xmin.en

)(

!3)(3)(4)(

2

1)(i3

32

210

2

EJEMPLOS DE APLICACIÓN RESUELTOS

1) Dada la ecuación RTbxx

ay ))((

2 Donde

KgmolcmatmR

gnolcmb

gmolxa

../..1.82

/8.42

/cm atm106.3

3

3

265

si T =350 K, se

obtiene la siguiente tabla:

puntos 0 1 2 3

y(atm) 13.782 12.577 11.565 10.704

x(cm3) 2000 2200 2400 2600

Calcular la derivada de y con respecto a x cuando x = 2300 cm3, y compárelo con el valor

de las derivadas analíticas

Solución

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77

Aplicando

)(2

2)(

2

2242)(

2

22)(22

1012

1002

10 xfh

xxxxf

h

hxxxxf

h

hxxx

dx

xdf

en los

puntos x = 0; 1; y 2, tenemos x = 2300cm3

Con h = 200

)2400()200(2

2200)2000()2300(2

)2200()200(2

)200(2)2200(2)300,2(4)2200(2)2000(

)200(2

)200(222002000)2300(2)(

2

22

f

ffdx

xdf

00506.0565.11)200(2

2200)2000()2300(2

577.12)200(2

)200(2)2200(2)300,2(4)2200(2782.13

)200(2

)200(222002000)2300(2)(

2

22

dx

xdf

La derivada analítica es

005048.0)2300(

)106.3(2

)8.422300(

)350(1.822

)( 3

6

232

x

x

a

bx

RT

dx

df

Debemos destacar que la aproximación es muy buena puesto que el error relativo es de

-0.24%,

Obtener la Primera derivada del polinomio de LaGrange.

𝑃𝑛(𝑥) = ∑ 𝑓(𝑥𝑖) ∏𝑥−𝑥𝑗

𝑥𝑖−𝑥𝑗

𝑛𝑗=0𝑗≠𝑖

𝑛𝑖=1

Derivando el polinomio de LaGrange con respecto a x

𝑑𝑃𝑛(𝑥)

𝑑𝑥= ∑ 𝑓(𝑥𝑖)

𝑑

𝑑𝑥∏

𝑥−𝑥𝑗

𝑥𝑖−𝑥𝑗

𝑛𝑗=0𝑗≠𝑖

𝑛𝑖=1 ,

Si hacemos

𝑦 = ∏𝑥−𝑥𝑗

𝑥𝑖−𝑥𝑗

𝑛𝑗=0𝑗≠𝑖

, y linealizamos

𝑙𝑛𝑦 = ln (∏𝑥−𝑥𝑗

𝑥𝑖−𝑥𝑗

𝑛𝑗=0𝑗≠𝑖

) = ∑ 𝑙𝑛𝑥−𝑥𝑖

𝑥𝑖−𝑥𝑗

𝑛𝑗=0𝑖≠𝑖

,

Derivando tenemos

𝑑

𝑑𝑥(𝑙𝑛𝑦) =

1

𝑦

𝑑𝑦

𝑑𝑥= ∑

𝑑

𝑑𝑥(𝑙𝑛

𝑥−𝑥𝑖

𝑥𝑖−𝑥𝑗) =𝑛

𝑗=0𝑗≠𝑖

∑1

𝑥−𝑥𝑗

𝑛𝑗=0𝑗≠𝑖

,

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78

Consecuentemente

𝑑𝑦

𝑑𝑥= 𝑦. ∑

𝑑

𝑑𝑥(𝑙𝑛

𝑥−𝑥𝑖

𝑥𝑖−𝑥𝑗) = ∏

𝑥−𝑥𝑗

𝑥𝑖−𝑥𝑗

𝑛𝑗=0𝑗≠𝑖

𝑛𝑗=0𝑗≠𝑖

∑1

𝑥−𝑥𝑗

𝑛𝑗=0𝑗≠𝑖

,

Finalmente tenemos

𝑑𝑃𝑛(𝑥)

𝑑𝑥= ∑ 𝑓(𝑥𝑖)

𝑛𝑖=0 [∏

𝑥−𝑥𝑗

𝑥𝑖−𝑥𝑗

𝑛𝑗=0𝑗≠𝑖

∑1

𝑥−𝑥𝑗

𝑛𝑗=0𝑗≠𝑖

],

Observemos que esta relación tiene una falencia en el caso que se quiera dividir por

una abscisa cero, pero esto se salva con la siguiente expresión que es equivalente,

𝑑𝑃𝑛(𝑥)

𝑑𝑥= ∑ [

𝑓(𝑥𝑖)

∏ (𝑥𝑖−𝑥𝑗)𝑛𝑗=0𝑗≠𝑖

∑ ∏ (𝑥 − 𝑥𝑗)𝑛𝑗=0

𝑗≠𝑘,𝑖

𝑛𝑘=0𝑘≠𝑖

]𝑛𝑖=0 ,

2) Calcular la derivada de f(x) = cos x en 4

x

y con h = 0.01 cual es la respuesta y

cual es su grado de precisión

Solución

71063051.001.0

707106781.0700000476.0

01.0

)cos()01.0cos()()()(

xx

h

xfhxfxf

005.0)cos(005.0)(2

fh

Se puede obtener una cota más precisa usando el hecho de

que h44

lo que induce a que

707107.0)cos( no proporcione una cota superior

de 0.0035355.

4) En una reacción química A +B, k productos la concentración del reactante A es una función de la presión P y la temperatura T. la siguiente tabla presenta la concentración de A en gmol /litro como función de estas dos variables

5)

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79

P(kg/cm2)

T(K)

273 300 325 360

1 0.99 0.97 0.96 0.93

2 0.88 0.82 0.79 077

8 0.62 0.51 0.48 0.45

15 0.56 0.49 0.46 0.42

20 0.52 0.44 0.41 0.37

Calcular la variación de la concentración de A con la temperatura a P = 8 Kg./cm2 y T =

300K, usando un polinomio de segundo grado.

Solución

Lo que se pide es la derivada de la concentración con respecto a la temperatura T

valorado en T = 300 y p = 8 esto se puede evaluar usando la siguiente relación, que es

resultado de la derivada del polinomio de LaGrange.

n

ijoj ji

jn

iin

xx

xxxfxp

0

)()( , se sugiere

aplicar derivación logarítmica y se llegará a la relación siguiente.

n

i

n

ikk

n

ikjj

jn

ijj

ji

in

ijj

n

ijj jji

jn

ii

n xx

xx

xf

xxxx

xxxf

dx

xdp

0 0,

0

0

0 00

)(

)(

)(1)(

)(

En nuestro caso se tiene

))((

)()2(

))((

)()2(

))((

)()2()(

1202

210

2101

120

2010

0212

xxxx

xfxxx

xxxx

xfxxx

xxxx

xfxxx

dx

xdp

, en esta relación

debemos tener en consideración que f(x) representa la concentración de A y x a T de

tal manera que al sustituir los tres puntos que se obtiene de la tabla tenemos,

K

gml

pT

A

dt

dC

dx

xdp

1

8300

2

0026.0)300325)(273325(

)48.0)(300273)300(2(

)325300)(273300(

)51.0)(325273)300(2(

)325273)(300273(

)62.0)(325300)300(2()(

4) Obtenga la primera y segunda derivada evaluadas en x = 1, para la siguiente tabulación

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80

I 0 1 2 3 4

x -1 0 2 5 10

f(x) 11 3 23 143 583

Solución

La tabulación siguiente representa las diferencias divididas

i

x

f(x)

Diferencias Divididas

Primeras Segundas

0 -1 11 -8

1 0 3 10 6

2 2 23 40 6

3 5 143 88 6

4 10 583

Debemos observar que un polinomio de según do grado puede representar exactamente

la función, puesto que la segunda diferencia dividida es constante.

Podemos aplicar el Polinomio de Newton de segundo grado en diferencias divididas

))((,,)(,)( 1021001002 xxxxxxxfxxxxfxfxp

326)0))(1((6))1((811)( 22 xxxxxxp

12)2(d

derivada segunda la ,10212)1( 22

2

2 pdx

xpdx

d

Observemos que se podía también derivar directamente del polinomio antes de sustituir

los valores de x0 y x1 esto es

10)2(,,,)1( 10210102 xxxxxxfxxfpdx

d, para la segunda derivada se obtiene

12,,2)2(,,,)2( 210102101022

2

xxxfxxxxxxfxxfdx

dp

dx

d

B. La Integración Numérica

Es utilizada para funciones analíticas o tabulaciones dadas.

En el caso de las funciones tabulares dados se ha determinado un polinomio de

aproximación Pn (x) en un intervalo de interés, que aproxima la curva que representa a

la función f(x), pero su diferenciación e integración presentan discrepancias

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81

1. El proceso de integración esta dado por el área bajo la curva de f (x)

nx

xdxxf

0

)(

2. La integral aproximada está dado por el área bajo la curva Pn (x)

∫ 𝑃𝑛(𝑥)𝑑𝑥𝑥𝑛

𝑥0,

3. Los errores que se cometen al integrar los diferentes segmentos, tienden a

cancelarse entre si o reducirlo lo que permite afirmar que el error total al

integrar Pn (x) desde x0 a xn puede ser muy pequeño; aun cuando Pn (x) no

sea una buena aproximación de f (x).

nx

xn

n

dxxP

xP

0

)(

:)(

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82

4. Por otro lado

)(xPd

dn

x que proporciona la pendiente de la recta tangente

a Pn (x) en un punto; puede variar en magnitud respecto a

)(xfd

d

x en el

mismo punto aunque Pn (x) sea una buena aproximación

Los métodos de integración usadas pueden clasificarse en dos grupos:

i) Fórmulas de Newton Cotes: Los que usan valores dados de la función f (x) en

abscisas equidistantes.

ii) Fórmulas de Cuadratura Gaussiana: Los que usan valores de f (x) en abscisas

desigualmente espaciadas determinadas por ciertas propiedades de familias

de polinomio ortogonales.

1. Método de Newton – Cotes

Son los tipos de integración numérica más comunes, su estrategia es remplazar a la

función complicada o de datos tabulados por un polinomio de aproximación que es fácil

de integrar.

Es decir, supongamos que nos interesa determinar b

adxxfI )( ; entonces, tenemos:

𝐼 = ∫ 𝑓(𝑥) ≅ ∫ 𝑝𝑛(𝑥)𝑑𝑥𝑏

𝑎

𝑏

𝑎,

En donde pn(x) es el polinomio aproximación,

𝑝𝑛(𝑥) = 𝑎0𝑥 + 𝑎1𝑥2 + 𝑎2𝑥𝑛 + ⋯ + 𝑎𝑛𝑥𝑛,

Donde n es el grado del polinomio el método en estudio lo realiza en general en dos

pasos.

Observemos que cuando el polinomio de aproximación es lineal se trata de una línea

recta como observamos en el caso (a) y cuando se trata de un polinomio de segundo

orden tenemos el caso (b)

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83

Figura N0 caso (a) Caso (b)

En otros términos:

Primero: Dividir el intervalo [a, b] en “n” intervalos de igual magnitud en donde sus

valores extremos son:

𝑥𝑖 = 𝑥0 + 𝑖 (𝑏−𝑎

𝑛) , 𝑖 = 0,1,2, … , 𝑛, siendo 𝑥0 = 𝑎; 𝑥𝑛 = 𝑏, (1)

Segundo: Se aproxima f (x) por un polinomio de grado “n”, Pn (x) y se integra para obtener

la aproximación de f(x).

2. Método Trapezoidal

1. Este método de integración numérica se fundamenta en la integración de la

fórmula de interpolación lineal.

2. Que ocurre con (*) si n = 1, i.e., x0 = a , x1 = b, entonces la aproximación polinomial

de f (x) es una línea recta, i.e., P1 (x)

3. La aproximación a la integral es el área del trapezoide bajo la línea recta.

h h h h h . . . x x x x xi xi + 1

a b

f(x)

a b

x

f(x)

a b

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84

)()()(1

0

xdxPdxxfx

xi

b

a Área del trapecio con vértices )(),(,, 1010 xfxfxx

4. Para realizar la integración

1

0

)(1

x

xdxxP

, se requiere usar una de las

representaciones del polinomio P1 (x).

5. Pero f (x) está dado para valores equidistantes de x con distancia h, la relación

lógica es una de las fórmulas en diferencias divididas finitas (hacia delante, hacia

atrás)

6. Supongamos que elegimos las diferencias divididas finita hacia delante tendremos.

0

03

02

000

!

))1()....(3)(2)(1(

...!3

)2)(1(

!2

)1()(

xfn

nsssss

xfsss

xfss

xfsxfshxP

n

n

En nuestro caso:

)()( 1 xPxf , luego

00011 )()( xfsxfshxPxP

Tenemos la integral

1

000)(

x

x

b

adxxfsxfdxxf

(2)

La integral de lado derecho debe estar en función de s, i.e.,

hdsdx

shxx

;0

Para los límites de integración x0 y x1:

shxx

tesconssonhxsdondedeshxx

01

000 tan,;0

Luego:

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85

)()(

)()()(:

2

)()(

)(2

)(

)()()()(

01

000

0

0

1

0

0

2

0

1

00000

1

0

xfxf

xfhxfxfPero

xfxfh

xfs

sxfh

dsxfsxfhdxxfsxfx

x

Luego tenemos:

2

)()()( 01

0

xfxfxfh

2

)()( 01 xfxfh

b

axfxf

hdxxf )()(

2)( 01 , (3)

Ejemplo: Usar el método trapezoidal

a) Aproximar el área A1 bajo la curva de la función dada por la tabla siguiente, en el

intervalo a = 500, b = 1800

Puntos 0 1 2 3 4 5

f (x) 9 13 18 25 25 27

x 500 900 1400 1800 2000 2200

b) Aproximar: 6

02 )1( xA ; c) Aproximar:

4

2

2

3 )432( dxxxA

d) Aproximar: 2

04

senxdxA ; e) Aproximar: 2

05 cos

xdxA

Solución:

a) h = 1800 – 500 = 1300 ; x0 = 500 , x1 = 1800

20800161300)923(2

13001 A

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86

b) h = 6 – 0 = 6 ; x0 = 0 , x1 = 6

2

22 2424713)6()0(2

6uAfffA

c) h = 4 - (-2) = 6 ; x0 = -2 , x1 = 4 : f (x) = 2 + 3x + 4x2

22

3 270078123)4(4122)4(4622

6uA

d) senxxfxxhh )(,2

,0,2

02

10

2

44442

04

uAsensenA

e) xxfxxh cos)(,2

,0;2

10

2

54

uA

C. Método De Simpson

Supongamos que el intervalo de integración ba, es dividido en n subintervalos con

longitudes iguales,

Supongamos que n=2 es decir al intervalo [a,b] se le divide en dos subintervalos

entonces tendremos:

𝑥𝑖 = 𝑥0 + 𝑖 (𝑏−𝑎

𝑛) , 𝑖 = 0,1,2, … , 𝑛,

, 𝑥0 = 𝑎; 𝑥1 = 𝑎 + (𝑏−𝑎

2) , 𝑥2 = 𝑏

Se aproxima f(x) por una parábola

∫ 𝑓(𝑥)𝑑𝑥 ≈ ∫ 𝑝2(𝑥)𝑑𝑥𝑥𝑛

𝑥0

𝑏

𝑎,

Usemos la formula de Newton en diferencias finitas hacia delante

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87

)(

!2

1)()()()( 0

2

00022 xfss

xfsxfshxPxP

En consecuencia

∫ 𝑓(𝑥)𝑑𝑥 ≈ ∫ 𝑝2(𝑥)𝑑𝑥𝑥𝑛

𝑥0

𝑏

𝑎= ℎ

)(

!2

1)()()()( 0

2

00022 xfss

xfsxfshxPxP

∫ 𝑝2(𝑥0 + 𝑠ℎ)𝑑𝑠2

0,

ℎ ∫ 𝑝2(𝑥0 + 𝑠ℎ)𝑑𝑠2

0= ℎ ∫ [𝑓(𝑥0) + 𝑠∆𝑓(𝑥0) +

𝑠(𝑠−1)

2!∆2𝑓(𝑥0)]

2

0𝑑𝑠;

= ℎ [𝑠𝑓(𝑥0) +𝑠2

2∆𝑓(𝑥0) +

𝑠3

3! ∆2𝑓(𝑥0) −

𝑠2

4∆2𝑓(𝑥0)] |0

2

= ℎ [2(𝑥0) +22

2∆𝑓(𝑥0) +

23

3! ∆2𝑓(𝑥0) −

22

4∆2𝑓(𝑥0)]

= ℎ [2𝑓(𝑥0) + 2∆𝑓(𝑥0) +1

3 ∆2𝑓(𝑥0)];

Considerando la primera y segunda diferencia hacia delante tenemos

∆𝑓(𝑥0) = 𝑓(𝑥0 + ℎ) − 𝑓(𝑥0) = 𝑓(𝑥1) − 𝑓(𝑥0);

∆2𝑓(𝑥0) = 𝑓(𝑥0 + 2ℎ) − 2𝑓(𝑥0 + ℎ) + 𝑓(𝑥0) = 𝑓(𝑥2) − 2𝑓(𝑥1) + 𝑓(𝑥0),

Considerando estas relaciones en la relación ℎ [2𝑓(𝑥0) + 2∆𝑓(𝑥0) +1

3 ∆2𝑓(𝑥0)],

tenemos

∫ 𝑓(𝑥)𝑑𝑥 ≈𝑏

𝑎=

3[𝑓(𝑥0) + 4𝑓(𝑥1) + 𝑓(𝑥2)],.........(4)

Ejemplos usando los datos anteriores aplicar el algoritmo de Simpson

1800;1150650500;500;6502

5001800210

XXXh

)1800()1150(4)500(3

6501 fffA f(X1) se encuentra interpolando

33.2086923)08.16(493

6501 A

(2) Aproximar 5

02 32 dxxA

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88

5.4717)5.9(423

5.2

))5(32())5.2(32(423

5.2

)()(4)(3

5.2

5;5.25.20;0;5.22

05

2

2

2102

210

A

A

XfXfXfA

XXXh

(3) Aproximar dxxxA

4

2

23 321

9057)6(493

3

57)4(3)4(21)4(

6)1(3)1(21)1(

9)2(3)2(21)2(

4;132;2;32

)2(4

3

2

2

2

210

A

f

f

f

XXXh

Generalizando

Consideremos el intervalo [a,b] dividido en n subintervalos proporcionando n+1

puntos equidistantes 𝑥0, 𝑥1, 𝑥2, … , 𝑥𝑛 en donde x0=a; xn=b, en esta oportunidad el

polinomio de interpolación es de n-esimo grado, luego la aproximación de la integral

...)(

!3

)2)(1()(

!2

1)()()()( 0

30

2000 xf

sssxf

ssxfsxfshxPxP nn

)(!

))1()...(2)(1(0xf

n

nssss n

Entonces la aproximación de la integral b

a

dxxf )( estará dado por:

dsshxPhdxxPdxxfnx

x

n

nn

b

a

0 00 )()()(

dsxf

n

nssssxf

sssxf

ssxfsxfh

nn

000

30

200 )(

!

))1()...(2)(1(...)(

!3

)2)(1(

!2

1)()(

Que ocurre si integramos los cinco primeros términos

nb

a

xfssss

xfsss

xfss

xfs

xsfhdxxf

0

04

2345

03

234

02

23

0

2

0 )(872

11

16120)(

6624)(

46)(

!2)()(

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89

b

a

xfnnnn

xfnnn

xfnn

xfn

xnfhdxxf )(872

11

16120)(

6624)(

46)(

!2)()( 0

42345

03

234

02

23

0

2

0

Que ocurre si n = 1

)()(2

)( 10

1

0

xfxfh

dxxfx

x

Trapezoidal

Pues:

)()(2

)()()(22

)()(22

)(2

)()( 100100000

1

0

xfxfh

xfxfxfh

xfxfh

xfxfhdxxfx

x

Que ocurre para n = 2

2

0

02

2

0

)(2

)(x

x

x

x

dsshxPh

dxxf

2

002 )( dsshxPh

dsxf

ssxfsxfh

2

00

200

!2

1)()(

2

0

02

23

0

2

0 )(46

)(!2

)(

xf

ssxf

sxsfh

)(

3

1)(2)(2 0

200 xfxfxfh

Pero:

)()()()()( 01000 xfxfxfhxfxf

)()(2)()()(2)2()( 01200002 xfxfxfxfhxfhxfxf

)()(4)(3

)( 210

2

0

xfxfxfh

dxxfx

x

Simpson 1/3

Si n = 3

)()(3)(3)(8

3)( 3210

3

0

xfxfxfxfh

dxxfx

x

Simpson 3/8

f (X0)

f (X1)

f (X2)

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90

2

2

;90

5

abh

baX

Xfh IV

D. Métodos Compuestos de Integración

En ocasiones el intervalo de integración tiene una longitud grande, entonces resulta

conveniente dividirlo en subintervalos y aproximar cada una por medio de un polinomio.

1. Método Trapezoidal Compuesto

Figura. Representación del Método de Trapecio Compuesto

En vez de aproximar la integral de f(x) en [a,b] por una recta. Conviene dividir [a, b] en n

subintervalos y aproximar la integral de f(x) en cada subintervalo por un polinomio de

primer grado como muestra la figura.

Aplicamos la fórmula Trapezoidal a cada subintervalo y se obtiene el área del trapezoide

de tal manera que la curva de todos ellos nos proporciona el área aproximada bajo la

curva f(x).

dxxPdxxPdxxPdxxPdxxfbnx

nxn

x

x

x

x

b

a

x

xa

)()()()()(

1

3

2

3

2

1

2

1

0

1

Donde:

Pi(x): es un polinomio de primer orden, i.e., la recta que pasa por (Xi-1, f(Xi-1)), (Xi, f(Xi)).

Aplicando el método del trapezoide en cada subintervalo:

X X0 x1

a b

f(x0)

f(x1)

f(X)

f(x0)

f(x1)

f(X)

f(x2) f(xn- f(xn)

f(x)

X0 x1 x2 xn-1

xn

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91

)()(2

)()(2

)()(2

11

2112

1001

nnnn xfxf

xxxfxf

xxxfxf

xxI

Que ocurre si todos los intervalos tienen la misma longitud h, i.e., Xi+1 - Xi = hi; i=0,

1,2,…,(n-1).

)()(2)(2

)()(2)(2)(2)(2

1

10

1210

n

n

ii

nn

xfxfxfh

I

xfxfxfxfxfh

I

(5)

EJERCICIOS RESUELTOS1

1) Usar el método trapezoidal compuesto para aproximar el área bajo la curva de la

función dada por tabulación en x = -1 y x = 4

Solución 239238)76201010(282

1A

Observación:

Se aplicó cinco veces el método del trapezoide. h=1

2) Aplicar el método en análisis si f(x)=x4 – 2x2 + x + 10; x0= -1 xn =4; h = 1

1 Ver Métodos Numericos aplicados a Ingenieria de Nieves y Domínguez

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92

239238)76201010(282

1

)()(2)(2

15

4

10

A

xfxfxfAi

i

2. Método Compuesto de Simpson

Recordemos que para aplicar el método de Simpson se necesita dos subintervalos y

como queremos aplicarlo n-veces entonces se debe dividir el intervalo [a, b] en un

número de subintervalos igual a 2n.

Veamos gráficamente esto:

Figura. Representación del Método de Simpson Compuesto

Observamos que cada par de subintervalos sucesivos aproximamos f(x) por medio de

un polinomio de segundo orden (parábola) y se integra usando el método de Simpson de

tal manera que la suma de las áreas parciales proporcione el área total, es decir:

dxxPdxxPdxxPdxxPdxxfIbnx

nxn

x

x

x

x

b

a

x

xa

)()()()()(

2

6

4

3

4

2

2

2

0

1

Donde Pi; i=1,2,…; es el polinomio de grado dos que pasa por tres puntos consecutivos

usando el método del Trapezoide.

)()(4)(3

)()(4)(3

)()(4)(3

124322

2101

nnnn xfxfxf

hxfxfxf

hxfxfxf

hI

Donde:

121

34232

12011

nnnnn xxxxh

xxxxh

xxxxh

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93

Si h1= h2=…= hn, entonces tenemos:

)()(4)(3

)()(4)(3

)()(4)(3

12432210 nnn xfxfxfh

xfxfxfh

xfxfxfh

I

Luego:

1

1 20 )()(2)(4)(

3

n

i inii xfxfxfxf

hI

(6)

Ejemplos:

3) Usando el método de Simpson compuesto, aproximar el área bajo la curva

considerando los datos anteriores

Aplicamos Simpson cuando i=0, 1, 2, 3, 4

)()(2))()((4)(3

1322101 xfxfxfxfxfA

666.7476)10(2)2010(483

1

*) Aplico el método trapezoidal X4, X5

157238762

12 A

Luego:

666.231157666.74 I

4) Hallar la integral aproximada de 2

2

2

1)(

x

exf

entre -1 y 1

Usar el método trapezoidal compuesto compare el resultado con 0.682 obtenido de

tablas.

Solución:

Con n = 1 21

)1(1

h

484.0)606.0606.0(2

1))()((

22

210

xfxfI

El error relativo considerando el valor de la tabla 29.0682.0

682.0484.01

nE ó 29%

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94

Si n = 2 12

)1(1

h

64.0)606.0)1(2606.0(22

1))()(2)((

22

2210

xfxfxfI

0587.0682.0

682.064.02

E ó 5.87%

Si n = 4 5.04

)1(1

h

672.0)606.0)882.0(2)1(2)882.0(2606.0(22

5.0

))()(2)(2)(2)((22

5.043210

xfxfxfxfxfI

0147.0682.0

682.0672.04

E Ó 1.47%

5) Usar el método de Simpson varias veces y comparar el resultado con 0.682 valor

obtenido por tabla considerando el ejercicio anterior.

Solución:

Si n=2 12

)1(1

h

693.0)606.0)1(4606.0(23

1))()(4)((

23

1210

xfxfxfI

0162.0682.0

682.0693.02

E Ó 1.62%

Si n =4 5.04

)1(1

h

683.0)606.0)882.0(4)1(2)882.0(4606.0(23

5.0

))()(4)(2)(4)((23

5.043210

xfxfxfxfxfI

0015.0682.0

682.0683.04

E Ó 0.15%

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95

3. Errores de truncamiento en la aproximación trapezoidal

En esta oportunidad analizamos el error en una integración trapezoidal compuesta

iniciemos por tener en cuenta el i–esimo trapezoide, consideremos los puntos xi-1 y xi

con una distancia de h=(b-a)/n, además supongamos que F(x) es la primitiva del

integrando f(x) luego entonces podemos integrar f(x) en el intervalo [xi-1, xi ] es decir:

𝐼 = ∫ 𝑓(𝑥)𝑑𝑥 = 𝐹(𝑥𝑖) − 𝐹(𝑥𝑖−1)𝑥𝑖

𝑥𝑖−1, (7)

Por otro lado la aproximación numérica de la integral usando el método del Trapezoide

es:

𝑇𝑖 =ℎ

2[𝑓(𝑥𝑖−1) + 𝑓(𝑥𝑖)], (8)

Suponiendo que no existe errores en el cálculo entonces se puede suponer que:

𝐸𝑖 = 𝑇𝑖 − 𝐼𝑖, (9)

Aplicamos la serie de Taylor alrededor de x= xi en f(x) de tal manera que obtenemos f(xi-

1).

𝑓(𝑥𝑖−1) = 𝑓(𝑥𝑖) + (𝑥𝑖−1 − 𝑥𝑖)𝑓′(𝑥𝑖) +(𝑥𝑖−1−𝑥𝑖)2

2!𝑓′′(𝑥𝑖) + ⋯,

Como h=xi-xi-1.

𝑓(𝑥𝑖−1) = 𝑓(𝑥𝑖) − ℎ𝑓′(𝑥𝑖) +(ℎ)2

2!𝑓′′(𝑥𝑖) + ⋯, (10)

𝑇𝑖 =ℎ

2[2𝑓(𝑥𝑖) − ℎ𝑓′(𝑥𝑖) +

(ℎ)2

2!𝑓′′(𝑥𝑖) + ⋯ ],

𝑇𝑖 = [ℎ𝑓(𝑥𝑖) −ℎ2

2𝑓′(𝑥𝑖) +

(ℎ)3

2∗2!𝑓′′(𝑥𝑖) + ⋯ ], (11)

De manera análoga tenemos para F(xi-1 )

𝐹(𝑥𝑖−1) = 𝐹(𝑥𝑖) − ℎ𝐹′(𝑥𝑖) +(ℎ)2

2!𝐹′′(𝑥𝑖) −

ℎ3

3!𝐹′′′(𝑥𝑖) … ], (11)

Entonces consideramos en (7) se tiene,

𝐼𝑖 = ℎ𝐹′(𝑥𝑖) −ℎ2

2 𝐹′′(𝑥𝑖) +

(ℎ)3

3!𝐹′′′(𝑥𝑖) + ⋯ ],

Pero se tiene que 𝑓(𝑥) = 𝐹′(𝑥); 𝑓′(𝑥) = 𝐹′′(𝑥); 𝑓′′(𝑥) = 𝐹′′′(𝑥); …

𝐼𝑖 = ℎ𝑓(𝑥𝑖) −ℎ2

2 𝑓′(𝑥𝑖) +

(ℎ)3

3!𝑓′′(𝑥𝑖) + ⋯, (12)

Considerando (12) y (11) en (10) se tiene,

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96

𝐸𝑖 = [ℎ𝑓(𝑥𝑖) −ℎ2

2 𝑓′(𝑥𝑖) +

(ℎ)3

3!𝑓′′(𝑥𝑖)] − [ℎ𝑓(𝑥𝑖) −

ℎ2

2 𝑓′(𝑥𝑖) +

(ℎ)3

3!𝑓′′(𝑥𝑖)],

𝐸𝑖 = [1

4−

1

6] ℎ3𝑓′′(𝑥𝑖) + 𝑚𝑎𝑠 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑜𝑠 𝑒𝑛 ℎ4, … ],

Considerando que h<<1 los términos h4, h5,... pueden despreciarse de tal manera que

el error de truncamiento del i-esimo trapezoide es dado por.

𝐸𝑖 ≈ℎ3

12𝑓′′(𝑥𝑖), (13)

Si además |𝑓′′(𝑥)| ≤ 𝑀 para 𝑎 ≤ 𝑥 ≤ 𝑏, entonces,

|𝐸𝑖| ≤ℎ3

12𝑀 , de donde se tiene para n trapezoides

|𝐸𝑖| ≤𝑛ℎ3

12𝑀 = 𝑛ℎ

ℎ2

12𝑀 = (𝑏 − 𝑎)

ℎ2

12𝑀, (14)

Consecuentemente para fines de análisis el error de truncamiento en el método

trapezoidal se expresa así.

∫ 𝑓(𝑥)𝑑𝑥 =ℎ

2[𝑓(𝑥0) + 2 ∑ 𝑓(𝑥𝑖) + 𝑓(𝑥𝑛)𝑛−1

𝑖=1 ] + 𝑜(ℎ2)𝑏

𝑎, (15)

CUESTIONARIO

1. Las cifras significativas de un numero son aquellas que pueden ser usadas en forma

confiable se llama

a) Cifra significativa

b) Exactitud

c) Precisión

d) Incertidumbre

e) Sesgo

2. Se refiere a que tan cercano esta un valor individual medido o calculado con respecto a

los otros

a) Cifra significativa

b) Exactitud

c) Precisión

d) Incertidumbre

e) Sesgo

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97

3. Se refiere a que tan cercano esta el valor calculado o medido con el valor verdadero.

a) Cifra significativa

b) Exactitud

c) Precisión

d) Incertidumbre

e) Sesgo

4. Se define como una desviación sistemática del valor verdadero.

a) Cifra significativa

b) Exactitud

c) Precisión

d) Incertidumbre

e) Sesgo

5. Se refiere a la magnitud en la dispersión de los valores.

a) Cifra significativa

b) Exactitud

c) Precisión

d) Incertidumbre

e) Sesgo

6. Inexactitud o equivocación al producir en la mente una idea sobre algo.

a) Error de concepto

b) Error de apreciación

c) Error de medición

d) Error absoluto

e) Error relativo

7. La inexactitud que se acepta como inevitable al comparar una magnitud con su patrón de

medida.

a) Error de concepto

b) Error de apreciación

c) Error de medición

d) Error absoluto

e) Error relativo

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98

8. Es una inexactitud o equivocación al percibir con los sentidos y la mente un determinado

fenómeno o evaluar determinada situación o problema

a) Error de concepto

b) Error de apreciación

c) Error de medición

d) Error absoluto

e) Error relativo

9. Es el cociente (la división) entre el error absoluto y el valor exacto. Si se multiplica

a) Error de concepto

b) Error de apreciación

c) Error de medición

d) Error absoluto

e) Error relativo

10. Es la diferencia entre el valor de la medida y el valor tomado como exacto

a) Error de concepto

b) Error de apreciación

c) Error de medición

d) Error absoluto

e) Error relativo

11. Se producen cuando los números tienen un límite de cifras significativas que se usan para

representar números exactos

a) Error de concepto

b) Error de apreciación

c) Error de medición

d) Error absoluto

e) Error por redondeo

12. Se entiende como la suma de los errores de redondeo y truncamiento introducidos en el

cálculo.

a) Error de concepto

b) Error numérico total

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99

c) Error de medición

d) Error absoluto

e) Error por redondeo

13. Mientras más cálculos se tengan que realizar para obtener un resultado

a) el error de redondeo se irá incrementando

b) el error de redondeo se acortará

c) el error absoluto será preciso

d) el error relativo incrementará

e) el error absoluto se incrementará

14. La notación binaria del número 9 es

a) 1000

b) 1011

c) 1001

d) 1010

e) 1111

15. La notación binaria del número 8 es

a) 1000

b) 1011

c) 1001

d) 1010

e) 1111

16. La notación binaria del número 10 es

a) 1000

b) 1011

c) 1001

d) 1010

e) 1111

17. Transformar el número es base binaria 1002 a base decimal

a) 4

b) 5

c) 6

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100

d) 7

e) 8

18. Transformar el número es base binaria 1102 a base decimal

a) 4

b) 5

c) 6

d) 7

e) 8

19. Transformar el número es base binaria 1112 a base decimal

a) 4

b) 5

c) 6

d) 7

e) 8

20. Transformar 0,25 a base binaria

a) 0,012

b) 0,112

c) 0,102

d) 0,0012

e) 0,0112

21. Transformar 0,5 a base binaria

a) 0,012

b) 0,12

c) 0,102

d) 0,0012

e) 0,0112

22. Transformar 0,125 a base binaria

a) 0,012

b) 0,12

c) 0,102

d) 0,0012

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101

e) 0,0112

23. En el proceso de resolución de problemas nos vemos obligados a tratar diferentes

números que pueden ser

a) exactos o aproximados.

b) Decimales

c) Enteros

d) Racionales

e) Periódicos

24. La diferencia entre el número exacto A y su valor aproximado a se llama

a) error.

b) Valor

c) Exceso

d) Defecto

e) Diferencia

25. (E) Es la cota superior de desviación del número exacto A respecto al aproximado:

a) Error absoluto

b) Error relativo

c) Error de concepto

d) Error de apreciación

e) Error de medición

26. (C) Un valor exacto A se encuentra en el intervalo [23.07; 23.10]. Determinar

su valor aproximado,

a) 23,085

b) 23,095

c) 23.075

d) 23.045

e) 23.025

27. (C) Un valor exacto A se encuentra en el intervalo [23.17; 23.20]. Determinar

su valor aproximado,

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102

a) 23,085

b) 23,095

c) 23.185

d) 23.145

e) 23.125

28. (C) Un valor exacto A se encuentra en el intervalo [23.27; 23.30]. Determinar

su valor aproximado,

a) 23,175

b) 23,195

c) 23.285

d) 23.185

e) 23.225

29. (C) Encontrar el error absoluto si se encuentra en el intervalo [23.17; 23.20].

a) 0.015

b) 0.15

c) 1.5

d) 0.0015

e) 0.00015

30. (C) Encontrar el error absoluto si se encuentra en el intervalo [23.27; 23.30].

a) 0.15

b) 0.015

c) 1.5

d) 0.0015

e) 0.00015

31. (C) Encontrar el error relativo si se encuentra en el intervalo [23.07; 23.10].

a) 0.015

b) 0.15

c) 1.5

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103

d) 0.0015

e) 0.00015

32. (E) Si a < A, se aproxima por

a) error.

b) Valor

c) Exceso

d) Defecto

e) Diferencia

33. (E) sí a > A, es un valor aproximado por

a) error.

b) Valor

c) Exceso

d) Defecto

e) Diferencia

34. (E) Se denomina un número aproximado 𝒂 la magnitud 𝛿𝑎

a) Error absoluto

b) Error relativo

c) Error de concepto

d) Error de apreciación

e) Error de medición

35. (A)Determinar en tanto por ciento el error del número aproximado a=35.148, sí

𝐴 = 35,148 ± 0.00074

a) 0.0022%

b) 0.000022%

c) 0.022%

d) 0.22%

e) 0.32%

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104

36. (A)Determinar en tanto por ciento el error del número aproximado a=35.148, sí

𝐴 = 35,148 ± 0.004

a) 0.0001138%

b) 0.00001138%

c) 0.001138%

d) 0.01138%

e) 1.38%

37. (A) Determinar en tanto por ciento el error del número aproximado a=32.148, sí

𝐴 = 32,148 ± 0.004

a) 0.00012%

b) 0.000012%

c) 0.0012%

d) 0.012%

e) 1.24%

38. (A) Determinar el valor absoluto del número aproximado 𝑎 = 4,123 , sí 𝛿𝑎 = 0.01%

a) 0.0004

b) 0.004

c) 0.04

d) 0.4

e) 0.00004

39. (A) Determinar el valor absoluto del número aproximado 𝑎 = 4,123 , sí 𝛿𝑎 = 0.02%

a) 0.0008

b) 0.008

c) 0.08

d) 0.8

e) 0.00008

40. (A) Determinar el valor absoluto del número aproximado 𝑎 = 4,103 , sí 𝛿𝑎 = 0.04%

a) 0.0002

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105

b) 0.002

c) 0.08

d) 0.8

e) 0.00008

41. (E) Representa sólo el aspecto cuantitativo del error sin reflejar el aspecto cualitativo, es

decir,sin mostrar como hemos realizado la medición o el cálculo.

a) Error absoluto

b) Error relativo

c) Error de concepto

d) Error de apreciación

e) Error de medición

42. (E) Es el proceso es de encajonamiento

a) Método de Bisección

b) Método de Graficación

c) Método de Newton

d) Método de Cuerdas

e) Método de la Secante

43. (E) El proceso es de simple tabulación y, donde se halle un cambio de signo en los

valores de f(x)

a) Método de Bisección

b) Método de Graficación

c) Método de Newton

d) Método de Cuerdas

e) Método de la Secante

44. (E) La siguiente gráfica corresponde a

a) Método de Bisección

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b) Método de Graficación

c) Método de Newton

d) Método de Cuerdas

e) Método de la Secante

45. (E) La siguiente figura corresponde

a) Método de Bisección

b) Método de Graficación

c) Método de Newton

d) Método de Cuerdas

e) Método de la Secante

46. (E) En que Método hallamos

a) Método de Bisección

b) Método de Graficación

c) Método de Newton

d) Método de Cuerdas

e) Método de la Secante

47. (E) El proceso es muy parecido al anterior. La diferencia está en que este por

construcción camina proporcionalmente hacia la raíz

a) Método de Bisección

b) Método de Graficación

c) Método de Newton

d) Método de Cuerdas

e) Método de la Secante

48. (E) La siguiente figura corresponde a

2

abt

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107

a) Método de Bisección

b) Método de Graficación

c) Método de Newton

d) Método de Cuerdas

e) Método de la Secante

49. (E) El proceso acercamiento a la Raíz continuará hasta cumplir la tolerancia

a) Método de Bisección

b) Método de Graficación

c) Método de Newton

d) Método de Cuerdas

e) Método de la Secante

50. (E) En que método el valor de t se halla

a) Método de Bisección

b) Método de Graficación

c) Método de Newton

d) Método de Cuerdas

e) Método de la Secante

51. (E) El proceso es que toma la dirección de la recta tangente en un punto de la función f

hasta la intersección con eje x

a) Método de Bisección

b) Método de Graficación

c) Método de Newton

)b(f)a(f

ba)b(fbt

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d) Método de Cuerdas

e) Método de la Secante

52. (E) La siguiente figura corresponde

a) Método de Bisección

b) Método de Graficación

c) Método de Newton

d) Método de Cuerdas

e) Método de la Secante

53. (E) En que método el valor de t se calcula

a) Método de Bisección

b) Método de Graficación

c) Método de Newton

d) Método de Cuerdas

e) Método de la Secante

54. (E) El proceso es tomar dos puntos muy cercanos para las x y sus correspondientes

ordenadas

a) Método de Bisección

b) Método de Graficación

c) Método de Newton

d) Método de Cuerdas

e) Método de la Secante

)x('f

)x(fxt

0

00

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109

55. (E)La siguiente figura corresponde

a) Método de Bisección

b) Método de Graficación

c) Método de Newton

d) Método de Cuerdas

e) Método de la Secante

56. (E) En qué método el valor de t se calcula

a) Método de Bisección

b) Método de Graficación

c) Método de Newton

d) Método de Cuerdas

e) Método de la Secante

57. (E) Se determina por el número de cifras del resultado que son fiables.

a) La exactitud de cálculo

b) La inexactitud de cálculo

c) Cifras significativas

d) Error absoluto

e) Error Relativo

58. (E) Los ceros puestos al final de un número son siempre

a) cifras significativas

b) errores

c) cifras cualtativas

d) cifras cuantitativas

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110

e) cifras insignicativas

59. (E) Los números exactos presentan

a) El valor aproximado del numero

b) El valor verdadero del número

c) El valor significativo del número

d) El valor no significativo del número

e) Cifras cualitativas

60. (E) Un valor próximo al verdadero con la particularidad que el grado de proximidad se

determina

a) el error de cálculo.

b) cifras cualtativas

c) cifras cuantitativas

d) cifras insignicativas

e) el error relativo

61.Los sistemas de ecuaciones compatibles son

a) Los que no tienen solución

b) Los que tienen infinitas soluciones

c) Los que tienen solución indeterminada

d) los que tienen solución

e) Los que tienen soluciones infinitas

62.Un sistema compatible determinado es

a) Los que no tienen solución

b) Los que tienen infinitas soluciones

c) Los que tienen solución indeterminada

d) los que tienen solución

e) Los que tienen una única solución

63.Un sistema compatible indeterminado

a) Los que no tienen solución

b) Los que tienen infinitas soluciones

c) Los que tienen solución indeterminada

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111

d) los que tienen solución

e) Los que tienen una única solución

64.Un sistema incompatible es

a) Los que no tienen solución

b) Los que tienen infinitas soluciones

c) Los que tienen solución indeterminada

d) los que tienen solución

e) Los que tienen una única solución

65.El método de Gauss consiste en transformar un sistema de ecuaciones en

otro equivalente de forma que este sea

a) escalonado

b) progresivo

c) sucesivo

d) continuo

e) graduado

66.Para facilitar el cálculo se transforma el sistema en una matriz, en la

que pondremos

a) los coeficientes de las variables

b) los términos independientes

c) los coeficientes de las variables y los términos independientes

d) las variables

e) los términos dependientes

67.Como se colocaría El sistema de ecuaciones en una matriz

3x + 2y + z = 1

5x + 3y + 4z = 2

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x + y − z = 1

a)[3 2 15 −3 41 1 −1

⋮ 1⋮ 2

⋮ −1]

b) [3 2 15 3 41 1 −1

⋮ 1⋮ 2⋮ 1

]

c) [3 2 15 3 11 −1 −1

⋮ −1⋮ 2⋮ 1

]

d) [3 −2 15 3 11 1 −1

⋮ 1⋮ −2⋮ 1

]

e) [3 2 15 −3 11 1 −1

⋮ 1⋮ 2⋮ 1

]

68. Existen numerosas leyes físicas en las que se sabe de antemano que dos

magnitudes x e y se relacionan a través de una ecuación lineal

y = ax + b

a) las constantes b (abcisa en el origen)

b) la variable b (pendiente)

c) las constantes b (ordenada en el origen)

d) la variable a depende de y

e) la variable a es la ordenada

69. El método más efectivo para determinar los parámetros “a” y “b” en

y = ax + b se conoce como

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113

a) técnica de mínimos cuadrados.

b) Técnica de máximos cuadrados

c) Técnica de parametros cuadrados

d) Técnica de minimos lineales

e) Técnica de minimos cuadráticos

70. La fórmula para halla el término “a” en el método de mínimos cuadrados es

a)

2

i

2

i

iiii

ΣxΣx

ΣyΣxyΣxna

b) 2i

2

i

iiii

ΣxΣxn

ΣyΣxyΣxna

c)

2

i

2

i

iiii

ΣxnΣx

ΣyΣxyΣxna

d)

2

i

2

i

iiii

ΣxΣxn

ΣyΣxnyΣxa

e)

2

i

2

i

iiii

ΣxnΣxn

ΣyΣxyΣxna

71. La fórmula para halla el término “b” en el método de mínimos cuadrados es

a)

n

ΣxaΣyb ii

b)

n

ΣxnΣyb ii

c)

n

ΣxΣyb ii

d)

a

Σxa2Σyb ii

e)

n

ΣxaΣyb ii

72. El coeficiente de correlación es

a) un parámetro para el estudio de una distribución dimensional

b) nos indica el grado de independencia entre las variables x e y

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114

c) nos indica el grado de dependencia entre las variables x e y

d) un parámetro para el estudio de una distribución tridimensional

e) nos indica el grado de dependencia entre las variables x

73. El coeficiente de correlación r es un número que se obtiene mediante la fórmula:

a)

2

i

2

i

2

i

2

i

iiii

ΣyΣynxΣΣxn

ΣyΣxyΣxr

b)

2

i

2

i

2

i

2

i

iiii

ΣyΣynxΣΣxn

ΣyΣxyΣxnr

c)

2

i

2

i

2

i

2

i

iiii

ΣyΣynxΣΣxn

ΣyΣxnyΣxnr

d)

2

i

2

i

2

i

2

i

iiii

ΣyΣynxΣΣxn

ΣyΣxnyΣxr

e)

2

i

2

i

2

i

2

i

iiii

ΣyΣynxΣΣx

ΣyΣxyΣxr

74. El coeficiente de correlación si r = -1

a) todos los puntos se encuentran sobre la recta existiendo una correlación que es perfecta e

inversa.

b) todos los puntos se encuentran sobre la recta existiendo una correlación que es imperfecta

e inversa

c) todos los puntos se encuentran sobre la recta existiendo una correlación que es imperfecta

d) todos los puntos se encuentran sobre la recta existiendo una correlación que es inversa

e) todos los puntos se encuentran sobre la recta existiendo una correlación que es perfecta y

directa

75. El coeficiente de correlación si r = 0

a) existe relación entre las variables

b) no existe ninguna relación entre las variables.

c) existe una relación constante entre las variables

d) existe una relación perfecta

e) existe una relación constante

76. El coeficiente de correlación si r = 1

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115

a) todos los puntos se encuentran sobre la recta existiendo una correlación que es perfecta y

directa.

b) existe una relación perfecta

c) existe una relación directa

d) existe una relación constante entre las variables

e) no existe ninguna relación entre las variables.

77. Para poder calcular el valor de la pendiente en el método de mínimos cuadrados , la fórmula

en Excel es:

a) =PENDIENTE(conocido_y;conocido_x)

b) =PENDIENTE(conocido_x;conocido_y)

c) =PENDIENT(conocido_y;conocido_x)

d) =PENDIENT(conocido_x;conocido_y)

e) =PENDIEN(conocido_x;conocido_y)

78. Para poder calcular el valor de la ordenada en el origen en el método de mínimos cuadrados

, la fórmula en Excel es:

a) = INTERSECCIÓN. EJE(conocido_y;conocido_x),

b) = INTERSECCIÓNEJE(conocido_y;conocido_x),

c) = INTERSECC. EJE(conocido_x;conocido_y),

d) =INTERSECCIÓNEJE(conocido_x;conocido_y),

e) INTERSECCIÓNEJE(conocido_x;conocido_y),

79. Para poder calcular el coeficiente de correlación en el método de mínimos cuadrados, la

fórmula en Excel es

a) =COEF.DE.CORREL(B6:B11;A6:A11)

b) =COEF.DE.CORREL(conocido_y;conocido_x)

c) =COEF.DE.CORREL(conocido_x;conocido_y)

d) =COEF.de.CORRELACION(conocido_x;conocido_y)

e) =COEF.de.CORRELACION(conocido_y;conocido_x)

80. Una de las más útiles y bien conocidas clases de funciones reales variables reales es la

clase de

a) Polinomios algebraicos

b) Polinomios especiales

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c) Polinomios aritméticos

d) Polinomios sintéticos

e) Polinomios

81. El Polinomio de Taylor aproxima

a) en varios puntos

b) un solo punto

c) en dos puntos

d) en tres puntos

e) en múltiples puntos

82. La construcción de los polinomios interpoladores sobre una red uniforme, utilizan las

magnitudes llamadas

a) Diferencias infinitas

b) Polinomios de Taylor

c) Diferencias de polinomios

d) diferencias finitas

e) diferencias divididas

83. Se llama diferencia finita de primer orden a

a) las diferencias entre los valores de la función en el nodo dado y en el nodo precedente

b) las diferencias entre los valores de la función en el punto y en el nodo precedente

c) las diferencias entre los valores de la función en el punto y en el nodo dado

d) las diferencias entre los valores de la función en el punto final y en el nodo precedente

e) las diferencias entre los valores de la función en el punto y en el nodo precedente

84. Las diferencias finitas

a) son cuadráticas

b) son polinomiales

c) son elípticas

d) son hiperbólicas

e) son lineales

85. La integración numérica es utilizada para

a) Funciones polinomicas

b) funciones analíticas

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c) tabulaciones

d) Funciones lineales

e) Funciones elípticas

86. El proceso de integración está dado por el

a) área bajo la curva de f (x)

b) área bajo la recta f(x)

c) volumen bajo la curva de f (x)

d) volumen bajo la recta

e) la integral definida

87. La integral aproximada está dado por el

a) área bajo la curva Pn (x)

b) área bajo la recta Pn(x)

c) volumen bajo la curva de Pn(x)

d) volumen bajo la recta

e) la inetgral definida

88. El método de newton – cotes, son los tipos de integración numérica mas comunes, su

estrategia es

a) reemplazar a la función complicada o de datos tabulados por un polinomio de

aproximación .

b) reemplazar a la función complicada o de datos tabulados por un polinomio .

c) reemplazar a la función complicada o de datos tabulados por una función cuadrática

d) reemplazar a la función complicada o de datos tabulados por una función lineal

e) reemplazar a la función complicada o de datos tabulados por una constante

89. El método trapezoidal es un método de integración numérica

a) se fundamenta en la integración de la fórmula de interpolación

b) se fundamenta en la integración de la fórmula de interpolación lineal.

c) se fundamenta en la integración de la fórmula de interpolación cuadratica

d) se fundamenta en la integración lineal

e) se fundamenta en la integración cuadratica

90. Los métodos compuestos de integración

a) tiene una longitud grande, entonces resulta conveniente dividirlo en subintervalos

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118

b) tiene una longitud pequeña, entonces resulta conveniente dividirlo en subintervalos

c) tiene una longitud mediana, entonces resulta conveniente dividirlo en subintervalos

d) tiene una longitud pequeña, entonces resulta conveniente dividirlo en intervalos

e) tiene una longitud grande, entonces resulta conveniente dividirlo en intervalos

BIBLIOGRAFIA

• “METODOS NUMERICOS PARA INGENIEROS”

• Chapra, Steven C.;Canale, Raymond P., McGraw-Hill Interamericana,2007.

• ANÁLISIS NUMÉRICO

• Richard L. Burden, J, Douglas Faires

• Séptima Edición 2009, Editorial Thomson Learning

• METODOS NUMÉRICOS APLICADOS CON SOFTWARD

• Shoichiro Nakamura, Pearson Preantice Hall,1999

• es.scribd.com/document/356563673/apuntes-metodos-numericos-integracion-y-

diferenciacion-doc

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