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Los Métodos Numéricos Ajuste de Curvas Métodos mas utilizados REGRESION INTERPOLACION Los Métodos Numéricos REGRESION Aproximación polinomial por mínimos cuadrados x Pm(x) x x x x x x x x x x x x Distancia mínima x x (xn,yn) x (x0,y0) Objetivo: Obtener un polinomio o función que relaciones x e y Los Métodos Numéricos REGRESION Aproximación polinomial por mínimos cuadrados El concepto •Forma de aproximar una función g(x) a diferentes f(x). •Nos proporciona información acerca de las relaciones existentes entre x e y •Causa una suavización de la curva formada por un conjunto de datos y elimina en algún grado los errores de observador, de medición, de registro, de transmisión y de conversión Se tiene una secuencia de datos dados por n puntos de la forma (xi,yi) También se tiene un polinomio de grado m, con m<n de la forma m Pm ( x) a0 x a1 x a2 x am x ai x i 0 1 2 m i 0 Como los puntos (xi,yi), son datos se evalúa los cuadrados de los residuos para obtener los coeficientes del polinomio P(x) de la forma que: n 2 n Q ri 2 Pm ( xi ) yi i 0 i 0 Sea m=2 entonces n Sea mínima P2 ( x) a0 a1x a2 x2 2 n Q Pm ( xi ) yi 0 2 Q yi (a0 a1 xi a2 xi2 ) 0 i 0 i 0 n Q 2 yi (a0 a1 xi a2 x i2 ) 0 a0 i 0 n Q 2 xi yi (a0 a1 xi a2 x i2 ) 0 a1 i 0 n Q 2 xi2 yi (a0 a1 xi a2 x i2 ) 0 a2 i 0 y ( a n i i 0 0 a1 xi a2 x i2 ) yi a 0 a1 xi a 2 x i2 0 n 2 2 3 x y ( a a x a x ) x y a x a x a x i i i 0 1i 2 i i 0 i 1 i 2 i 0 i 0 x y ( a n 2 i 0 i i 0 a1 xi a2 x i2 ) x i2 yi a 0 x i2 a1 x 3i a 2 x i4 0 2 y a a x a x i 0 1i 2i x y a x a x a x x y a x a x a x 2 i i 0 i 2 i n 1 xi x i 1 i 2 i 0 i 2 i 3 i i 3 1 i x x x x x x 3 2 i 2 4 i a0 yi 3 a x y i i 1 i 4 x2 y a 2 i i i 2 i CASO GENERAL n 1 xi 2 xi x i x 2 x 3 i i xm i 2 x i 3 xi 4 x i m x i a0 yi m 1 x a i 1 xi yi 2 m 2 x i a2 x i yi m a x .. x i2 m m i yi C a b 1 a C b Ejemplo: Se tiene la siguiente secuencia de datos: X Y 0.0 1.7 1.0 0.3 2.0 5.6 3.0 7.8 4.0 10. 5.0 11. 15 10 Y 5 0 0 2 4 X 6 8 6.0 12. 7.0 14. Se prueba un polinomio de 2º P2 ( x) a0 a1x a2 x2 m=2 x x x x x x n 1 xi x i i 2 i 3 i a0 yi 3 a x y 1 i i i 4 2 a i 2 x i yi 2 i n 1 9 x y i 28 i 61.4 x x y 2 i i i 140 292.9 x 784 x x y 1597 4 i i 4676 2 i 28 140 a0 61.4 9 28 140 784 a 292.9 1 140 784 4676 a2 1597 i 15 10 P 2( x) a0 0.115 a 2 . 879 1 a 0.145 2 P( x) 0.115 2.879x 0.145x 3 Y 5 0 2 5 0 2 4 x X 6 8 Se prueba un polinomio de 3º P3 ( x) a0 a1x a2 x a3 x 2 3 m=3 n 1 xi x i x 3i x x x x x x x x i 2 i 3 i 4 i 2 i 3 i 4 i 5 a0 yi 4 xy a i i i 1 5 x2 y a i i 2 3 6 a3 x yi i x x x x 3 i n 1 9 x y i 28 i 61.4 9 28 140 784 784 a0 61.4 140 784 4676 a1 292.9 784 4676 29008 a2 1597 4676 29008 184820 a3 9321.7 28 x 140 x 784 x 467 x 29008 x y 292.9 x y 1597 x y 9321.7 2 3 4 5 i i i i 2 i i i x 6 i 184820 3 i i 140 i 15 10 P 2( x) a0 0.446 a 1.519 1 a 0 . 408 2 0.054 a 4 P( x) 0.446 1.519x 0.408x 2 0.054x 3 P 3( x) 5 Y 0 5 0 2 4 x x X 6 8 ¿Cual de las soluciones es mejor? La forma intuitiva para determinar cual de las curvas es la que mejor representa el comportamiento de los datos, nos indica que la suma de las distancias al cuadrado sea lo mas próxima a cero. 2 n n i 0 i 0 Q ri 2 Pm ( xi ) yi 2 n R2 P ( x ) y m i 0 i n i y y i 0 Coeficiente de correlación 2 i R cuadrática R cúbica =0.9426 =0.9492 F(x) Regresión lineal: P1 ( x) a0 a1 x x n 2 Q Pm ( xi ) yi 0 i 0 n Q 2 yi (a0 a1 xi ) 0 a0 i 0 n Q 2 xi yi (a0 a1 xi 0 a1 i 0 2 n Q yi (a0 a1 xi ) 0 i 0 n 1 xi x a y x a x y a0 n 1 a1 xi i 2 i i 0 i 1 i 1 x y x x y i 2 i i i i Interpretación física de las constantes de la regresión: Marco de estudio: Análisis de costos, por ejemplo la variable independiente, corresponde a la cantidad de productos y la variable dependiente corresponde a los costos asociados: Ejemplo: Se ha adquirido un aditivo para la electro-refinación de la forma dada en los siguientes datos: Costo Cantidad 11 5 12 6 14 8 20 a0 1.363 f( x) Y 10 a1 1.624 0 0 5 x X 10 5 2 13 8 14 7 15 9 $ 1.363 es el costo fijo $ 1.624 es el costo marginal Utilización de programa de tipo Comercial EXCEL Solución del ejemplo anterior: Datos: Costo Cantidad 11 5 12 6 Paso 1.- Ingresar datos al Excel 14 8 5 2 13 8 14 7 15 9 Picar par hacer grafico Selección del tipo de datos a graficar regresión Los Métodos Numéricos INTERPOLACION Aproximación polinomial mediante polinomio de newton x Pn(x) x x x x (xn,yn) x (x0,y0) Objetivo: Obtener un polinomio que relaciones x e y Los Métodos Numéricos INTERPOLACION El concepto •Forma de aproximar una función g(x) a diferentes polinomios f(x). •Nos proporciona información acerca de las relaciones existentes entre x e y •La función polinomial obtenida pasa por cada uno de los puntos o evaluaciones de función inicial g(x) Se tiene una secuencia de datos dados por n puntos de la forma (xi,yi) También se tiene un polinomio de grado m, con m=n-1 de la forma m Pm ( x) a0 x 0 a1 x1 a2 x 2 am x m ai x i i 0 Como se tienen n puntos, el polinomio de ajuste debe ser de grado n-1 y como debe pasar por todos aquellos puntos se debe cumplir que: ( x0 , y0 ), ( x1 , y1 ), ( xn 1 , yn 1 ), ( xn , yn ) y0 a0 a1 x0 a2 x02 an 1 x0n y1 a0 a1 x1 a2 x12 an 1 x1n yn a0 a1 xn a2 xn2 an 1 xnn 1 x0 1 x1 1 xn 1 1 x n x02 x12 xn21 xn2 x0n a0 y0 n x1 a1 y1 n xn 1 an 2 yn 1 n xn an 1 yn X a y Se obtienen los coeficientes invirtiendo la matriz: a X y 1 Sea n=3 ( x0 , y0 ), ( x1 , y1 ), ( x2 , y2 ) y0 a0 a1 x0 a2 x02 y1 a0 a1 x1 a2 x12 y2 a0 a1 x2 a2 x22 P2 ( x) a0 a1x a2 x2 1 x0 1 x1 1 x2 x02 a0 y0 x12 a1 y1 x22 a2 y2 x02 ( y1 x2 y2 x1 ) x12 ( y0 x2 y2 x0 ) x22 ( y1 x0 y0 x1 ) a0 ( x2 x1 )(x2 x0 )(x0 x1 ) x02 ( y1 y2 ) x12 ( y2 y0 ) x22 ( y0 y1 ) a1 ( x2 x1 )(x2 x0 )(x0 x1 ) a2 x0 ( y2 y1 ) x1 ( y0 y2 ) x2 ( y1 y0 ) ( x2 x1 )(x2 x0 )(x0 x1 ) Ejemplo: Se tienen 3 puntos con los valores dados en la tabla I, Determine el polinomio de interpolación. X Y 1 3.78 3 20,56 4 35,67 Solución: Como se tienen 3 puntos, el polinomio debe ser cuadrático de la forma: P2 ( x) a0 a1x a2 x2 60 1 1 1 a0 3.78 1 3 9 a 20.56 1 1 4 16 a2 36.67 P2 ( x) 2.11 0.57x 2.24x 40 f( t ) y 20 2 0 0 2 tx 4 Problemas frecuentes con polinomios de alto orden: Se tienen 6 puntos, por lo tanto se debe interpolar un polinomio de grado 5 X Y 1 3.78 3 20,56 4 17,67 5 17.25 6 32.3 7 3.56 y3 23.25 P5 ( x) a0 a1x a2 x2 a3 x3 a4 x4 a5 x5 P 5( z ) 40 40 30 30 20 P 5( z ) Y 20 Y 10 10 0 0 10 1 2 3 4 zX 5 6 7 10 1 2 3 4 zX 5 6 7 Ejemplo: Se desea determinar el caudal que tiene una bomba de agua; para lograrlo en forma experimental, se ha diseñado el siguiente esquema: 1.- Se preparan 5 tambores de 200 litros de capacidad 2.- Se llenan sin cortar el flujo y se toma el tiempo de llenado de cada tambor El resultado obtenido es: Tambor Tiempo (s) 1 5.0 2 9.0 3 12.0 4 14.9 5 17.7 Solución: Se escribe la tabla anterior en función de los litros de agua y no en función del número de tambores: Caudal (litros) Tiempo (s) 200 5.0 400 9.0 600 12.0 800 14.9 1000 17.7 Como se tienen 6 puntos se debe interpolar con un polinomio de grado 5 1500 1000 P 5( x) Y 500 0 0 5 10 15 20 x X P5 ( x) 61.071x 12.485x2 1.891x3 0.105x4 0.002x5 Caudal de bomba 1200 1000 800 P 5( x) Y 600 dP 5( x) 400 200 0 0 5 10 x X x 15