Curso de Métodos Numéricos. Errores
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- Enrique Parra Ríos
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1 Curso de Métodos Numéricos. Errores Curso: Métodos Numéricos en Ingeniería Profesor: Dr. José A. Otero Hernández Correo: web: Universidad: ITESM CEM
2 Tópicos 1 UN MODELO MATEMÁTICO SIMPLE Qué es un modelo matemático? Ejemplo 2 Ejemplos
3 Tópicos 1 UN MODELO MATEMÁTICO SIMPLE Qué es un modelo matemático? Ejemplo 2 Ejemplos
4 Qué es un modelo matemático? Modelo matemático Se define como una formulación o una ecuación que expresa las características esenciales de un sistema físico o de un proceso en términos matemáticos.
5 Qué es un modelo matemático? El modelo se representa mediante una relación funcional: ( Variable dependiente = f Variable independiente, Parámetros, Funciones de fuerza ) Variables dependientes: es una característica que refleja el comportamiento o estado de un sistema. Variables independientes: son dimensiones tales como tiempo y espacio, a través de las cuales se determina el comportamiento del sistema. Parámetros: son el reflejo de las propiedades o la composición del sistema. Funciones de fuerza: son influencias externas que actúan sobre el sistema.
6 Qué es un modelo matemático? El modelo se representa mediante una relación funcional: ( Variable dependiente = f Variable independiente, Parámetros, Funciones de fuerza ) Variables dependientes: es una característica que refleja el comportamiento o estado de un sistema. Variables independientes: son dimensiones tales como tiempo y espacio, a través de las cuales se determina el comportamiento del sistema. Parámetros: son el reflejo de las propiedades o la composición del sistema. Funciones de fuerza: son influencias externas que actúan sobre el sistema.
7 Qué es un modelo matemático? El modelo se representa mediante una relación funcional: ( Variable dependiente = f Variable independiente, Parámetros, Funciones de fuerza ) Variables dependientes: es una característica que refleja el comportamiento o estado de un sistema. Variables independientes: son dimensiones tales como tiempo y espacio, a través de las cuales se determina el comportamiento del sistema. Parámetros: son el reflejo de las propiedades o la composición del sistema. Funciones de fuerza: son influencias externas que actúan sobre el sistema.
8 Qué es un modelo matemático? El modelo se representa mediante una relación funcional: ( Variable dependiente = f Variable independiente, Parámetros, Funciones de fuerza ) Variables dependientes: es una característica que refleja el comportamiento o estado de un sistema. Variables independientes: son dimensiones tales como tiempo y espacio, a través de las cuales se determina el comportamiento del sistema. Parámetros: son el reflejo de las propiedades o la composición del sistema. Funciones de fuerza: son influencias externas que actúan sobre el sistema.
9 Qué es un modelo matemático? El modelo se representa mediante una relación funcional: ( Variable dependiente = f Variable independiente, Parámetros, Funciones de fuerza ) Variables dependientes: es una característica que refleja el comportamiento o estado de un sistema. Variables independientes: son dimensiones tales como tiempo y espacio, a través de las cuales se determina el comportamiento del sistema. Parámetros: son el reflejo de las propiedades o la composición del sistema. Funciones de fuerza: son influencias externas que actúan sobre el sistema.
10 Ejemplo Ejemplo Se desea determinar la velocidad final de la caída libre de un paracaidista Fy = F g F r = ma Fy = F g F r = m dv dt Fy = mg F r = m dv dt Fy = mg cv = m dv dt c: es el coeficiente de arrastre o coeficiente de resistencia del aire
11 Ejemplo Cuya solución es: m dv = mg cv dt dv (t) = g c v (t), con v (0) = 0 dt m v (t) = gm c (1 e c m t)
12 Ejemplo Programa MATLAB % Ejemplo de un p a r a c a i d i s t a syms v ( t ) g m c v ( t ) =dsolve ( d i f f ( v ) ==g c /m v, v ( 0 ) ==0) >> v ( t ) = ( g m g m exp( (c t ) /m) ) / c
13 Ejemplo Si consideramos un paracaidista con una masa de 68.1 kg que salta de un globo aerostático fijo. Aplicando la solución anterior para calcular la velocidad antes de que abra el paracaídas. Considerando que el coeficiente de arrastre es igual a 12.5 kg/s, tenemos: v (t) = ( 1 e t), m/s.
14 Ejemplo Programa MATLAB clear ; clc ; f p l o t (@( t ) (1 exp( t ) ), [ ] ) ; grid on xlabel ( t ) ylabel ( v ( t ) )
15 Ejemplo
16 Ejemplo Lo que se ha obtenido se le llama solución analítica o exacta de nuestro modelo matemático. Para muchos modelos no se puede encontrar la solución exacta. Se necesita una solución aproximada.
17 Ejemplo Lo que se ha obtenido se le llama solución analítica o exacta de nuestro modelo matemático. Para muchos modelos no se puede encontrar la solución exacta. Se necesita una solución aproximada.
18 Ejemplo Lo que se ha obtenido se le llama solución analítica o exacta de nuestro modelo matemático. Para muchos modelos no se puede encontrar la solución exacta. Se necesita una solución aproximada.
19 Ejemplo Una solución aproximada dv dt = v t = v (t i+1) v (t i ) t i+1 t i
20 Ejemplo mg cv = m dv dt mg cv (t i ) = m v (t i+1) v (t i ) t i+1 t [ i v (t i+1 ) = v (t i ) + g c ] m v (t i) (t i+1 t i ) valor nuevo = valor anterior + pendiente tamaño del paso Método de Euler La Ecuación diferencial se ha transformado en una ecuación que puede utilizarse para determinar algebraicamente la velocidad en t i+1, usado la pendiente y los valores anteriores de v y t.
21 Ejemplo mg cv = m dv dt mg cv (t i ) = m v (t i+1) v (t i ) t i+1 t [ i v (t i+1 ) = v (t i ) + g c ] m v (t i) (t i+1 t i ) valor nuevo = valor anterior + pendiente tamaño del paso Método de Euler La Ecuación diferencial se ha transformado en una ecuación que puede utilizarse para determinar algebraicamente la velocidad en t i+1, usado la pendiente y los valores anteriores de v y t.
22 Ejemplo Programa MATLAB clear ; clc ; paso = 0.1; t =0: paso : 6 0 ; ve=53.39 (1 exp( t ) ) va ( 1 ) =0; for i =2: size ( t, 2 ) va ( i ) =va ( i 1) +( /68.1 va ( i 1) ) ( t ( i ) t ( i 1) ) ; end plot ( t, ve, t, va, ) grid on xlabel ( t ) ylabel ( v ( t ) ) legend ( Exacta, Aproximada )
23 Ejemplo
24 Ejemplo t v aprox v exac
25 Tópicos 1 UN MODELO MATEMÁTICO SIMPLE Qué es un modelo matemático? Ejemplo 2 Ejemplos
26 Qué hacemos con un problema? 1 Planteamos el modelo para resolverlo. Pudiera tener errores Pudiera tener demasiadas simplificaciones 2 Buscamos el resultado analítico (exacto) R a. No siempre es posible obtener R a R a se toma como resultado verdadero (R a = R) 3 Buscamos el resultado numérico (aproximado) R N. 4 Buscamos los errores. Se define Error Verdadero (E v ) como: i) E v = R R N, ii) E v = R R N Se define Error Relativo Verdadero (ε v ) como: i) ε v = R R N R, ii) ε v = R R N R 100%
27 Qué hacemos con un problema? 1 Planteamos el modelo para resolverlo. Pudiera tener errores Pudiera tener demasiadas simplificaciones 2 Buscamos el resultado analítico (exacto) R a. No siempre es posible obtener R a R a se toma como resultado verdadero (R a = R) 3 Buscamos el resultado numérico (aproximado) R N. 4 Buscamos los errores. Se define Error Verdadero (E v ) como: i) E v = R R N, ii) E v = R R N Se define Error Relativo Verdadero (ε v ) como: i) ε v = R R N R, ii) ε v = R R N R 100%
28 Qué hacemos con un problema? 1 Planteamos el modelo para resolverlo. Pudiera tener errores Pudiera tener demasiadas simplificaciones 2 Buscamos el resultado analítico (exacto) R a. No siempre es posible obtener R a R a se toma como resultado verdadero (R a = R) 3 Buscamos el resultado numérico (aproximado) R N. 4 Buscamos los errores. Se define Error Verdadero (E v ) como: i) E v = R R N, ii) E v = R R N Se define Error Relativo Verdadero (ε v ) como: i) ε v = R R N R, ii) ε v = R R N R 100%
29 Qué hacemos con un problema? 1 Planteamos el modelo para resolverlo. Pudiera tener errores Pudiera tener demasiadas simplificaciones 2 Buscamos el resultado analítico (exacto) R a. No siempre es posible obtener R a R a se toma como resultado verdadero (R a = R) 3 Buscamos el resultado numérico (aproximado) R N. 4 Buscamos los errores. Se define Error Verdadero (E v ) como: i) E v = R R N, ii) E v = R R N Se define Error Relativo Verdadero (ε v ) como: i) ε v = R R N R, ii) ε v = R R N R 100%
30 Qué hacemos con un problema? 1 Planteamos el modelo para resolverlo. Pudiera tener errores Pudiera tener demasiadas simplificaciones 2 Buscamos el resultado analítico (exacto) R a. No siempre es posible obtener R a R a se toma como resultado verdadero (R a = R) 3 Buscamos el resultado numérico (aproximado) R N. 4 Buscamos los errores. Se define Error Verdadero (E v ) como: i) E v = R R N, ii) E v = R R N Se define Error Relativo Verdadero (ε v ) como: i) ε v = R R N R, ii) ε v = R R N R 100%
31 Qué hacemos con un problema? 1 Planteamos el modelo para resolverlo. Pudiera tener errores Pudiera tener demasiadas simplificaciones 2 Buscamos el resultado analítico (exacto) R a. No siempre es posible obtener R a R a se toma como resultado verdadero (R a = R) 3 Buscamos el resultado numérico (aproximado) R N. 4 Buscamos los errores. Se define Error Verdadero (E v ) como: i) E v = R R N, ii) E v = R R N Se define Error Relativo Verdadero (ε v ) como: i) ε v = R R N R, ii) ε v = R R N R 100%
32 Qué hacemos con un problema? 1 Planteamos el modelo para resolverlo. Pudiera tener errores Pudiera tener demasiadas simplificaciones 2 Buscamos el resultado analítico (exacto) R a. No siempre es posible obtener R a R a se toma como resultado verdadero (R a = R) 3 Buscamos el resultado numérico (aproximado) R N. 4 Buscamos los errores. Se define Error Verdadero (E v ) como: i) E v = R R N, ii) E v = R R N Se define Error Relativo Verdadero (ε v ) como: i) ε v = R R N R, ii) ε v = R R N R 100%
33 Qué hacemos con un problema? 1 Planteamos el modelo para resolverlo. Pudiera tener errores Pudiera tener demasiadas simplificaciones 2 Buscamos el resultado analítico (exacto) R a. No siempre es posible obtener R a R a se toma como resultado verdadero (R a = R) 3 Buscamos el resultado numérico (aproximado) R N. 4 Buscamos los errores. Se define Error Verdadero (E v ) como: i) E v = R R N, ii) E v = R R N Se define Error Relativo Verdadero (ε v ) como: i) ε v = R R N R, ii) ε v = R R N R 100%
34 Qué hacemos con un problema? 1 Planteamos el modelo para resolverlo. Pudiera tener errores Pudiera tener demasiadas simplificaciones 2 Buscamos el resultado analítico (exacto) R a. No siempre es posible obtener R a R a se toma como resultado verdadero (R a = R) 3 Buscamos el resultado numérico (aproximado) R N. 4 Buscamos los errores. Se define Error Verdadero (E v ) como: i) E v = R R N, ii) E v = R R N Se define Error Relativo Verdadero (ε v ) como: i) ε v = R R N R, ii) ε v = R R N R 100%
35 Qué hacemos con un problema? 1 Planteamos el modelo para resolverlo. Pudiera tener errores Pudiera tener demasiadas simplificaciones 2 Buscamos el resultado analítico (exacto) R a. No siempre es posible obtener R a R a se toma como resultado verdadero (R a = R) 3 Buscamos el resultado numérico (aproximado) R N. 4 Buscamos los errores. Se define Error Verdadero (E v ) como: i) E v = R R N, ii) E v = R R N Se define Error Relativo Verdadero (ε v ) como: i) ε v = R R N R, ii) ε v = R R N R 100%
36 Siempre podemos encontrar E v y ε v? En muchos problemas de aplicación no es posible obtener la solución analítica; por lo tanto, no se pueden calcular los errores: Verdadero y Relativo Verdadero. En tales casos se deben usar aproximaciones ó estimaciones de errores.
37 Cifras significativas El concepto de cifras significativas (CS) se ha desarrollado para designar formalmente la confiabilidad de un valor numérico. Las CS de un número son aquellas que pueden utilizarse en forma confiable. Se trata del número de dígitos que se ofrecen con certeza, más uno estimado. Para trabajar con las CS emplearemos la notación científica. Ejemplo Escriba el número en 3, 4 y 5 CS Escriba el número π= en 3, 4 y 5 CS
38 Cifras significativas El concepto de cifras significativas (CS) se ha desarrollado para designar formalmente la confiabilidad de un valor numérico. Las CS de un número son aquellas que pueden utilizarse en forma confiable. Se trata del número de dígitos que se ofrecen con certeza, más uno estimado. Para trabajar con las CS emplearemos la notación científica. Ejemplo Escriba el número en 3, 4 y 5 CS Escriba el número π= en 3, 4 y 5 CS
39 Ejemplo 3 CS , 4 CS y 5 CS CS , 4 CS y 5 CS CS , 4 CS y 5 CS
40 Ejemplo 3 CS , 4 CS y 5 CS CS , 4 CS y 5 CS CS , 4 CS y 5 CS
41 Ejemplo 3 CS , 4 CS y 5 CS CS , 4 CS y 5 CS CS , 4 CS y 5 CS
42 Error de redondeo Como las computadoras retienen sólo un número finito de CS, muchos números (pi, número de Euler, etc.) no se podrán representar con exactitud. A la omisión del resto de las CS se le conoce como error de redondeo
43 Exactitud y precisión Los errores en cálculos y medidas se pueden caracterizar con respecto a su exactitud y su precisión. La exactitud se refiere a qué tan cercano está el valor calculado o medido del valor verdadero. La precisión se refiere a qué tan cercanos se encuentran, uno de otros, diversos valores calculados o medidos.
44 Exactitud y precisión Los errores en cálculos y medidas se pueden caracterizar con respecto a su exactitud y su precisión. La exactitud se refiere a qué tan cercano está el valor calculado o medido del valor verdadero. La precisión se refiere a qué tan cercanos se encuentran, uno de otros, diversos valores calculados o medidos.
45 Exactitud y precisión Los errores en cálculos y medidas se pueden caracterizar con respecto a su exactitud y su precisión. La exactitud se refiere a qué tan cercano está el valor calculado o medido del valor verdadero. La precisión se refiere a qué tan cercanos se encuentran, uno de otros, diversos valores calculados o medidos.
46 Exactitud y precisión
47 Error En muchas aplicaciones reales, no se conocen a priori la respuesta verdadera, luego una alternativa es normalizar el error, usando la mejor estimación posible al valor verdadero, es decir: error aproximado ε a = valor aproximado 100%
48 Error Muchos MN usan un método iterativo para calcular los resultados y se hace una aproximación considerando la aproximación anterior. Este proceso se hace varias veces o de forma iterativa, esperando cada vez mejores aproximaciones. En tales casos, el error se calcula como la diferencia entre la aproximación previa y la actual, es decir: ε a = aproximacion actual aproximacion anterior aproximacion actual 100%
49 Error En ocasiones se desea que el error % sea menor que una tolerancia porcentual prefijada (error establecido) ε s. En tal caso, los cálculos se repiten hasta que: ε a < ε s Es conveniente relacionar los errores con el número de CS en la aproximación. Se ha demostrado que si el siguiente criterio se cumple, se tendrá la seguridad que el resultado es correcto en al menos n CS: ε s = ( n )%
50 Ejemplos Programa MATLAB clear ; clc ; paso =2; t =0: paso : 6 0 ; ve=53.39 (1 exp( t ) ) ; va ( 1 ) =0; m=size ( t, 2 ) ; for i =2:m va ( i ) =va ( i 1) +( /68.1 va ( i 1) ) ( t ( i ) t ( i 1) ) ; end R = [ t ( 2 :m) va ( 2 :m) ve ( 2 :m) abs ( va ( 2 :m) ve ( 2 :m) ) abs ( va ( 2 :m) ve ( 2 :m) ). / ve ( 2 :m) ] ; disp (R)
51 Ejemplos t v a v e v a v e va ve ve
52 Ejemplos Ejemplo En matemática con frecuencia las funciones se representan mediante series infinitas. Por ejemplo: e x = 1 + x + x2 2! + x3 xn n ! n! = x k k! k=0 Empezando por el primer término y agregando término por término, estime el valor de e 0.5. Halle ε v y ε a. Agregue términos hasta que el error aproximado (ε a ) sea menor que el error establecido (ε s ) usando tres cifras significativas. Considere que el valor exacto es: e 0.5 =
53 Ejemplos Programa MATLAB clear ; clc ; RExac= ; n = 3; EEst =0.5 10ˆ(2 n ) ; i =1; R( i ) =1; R( i +1)=R( i ) ˆ ( i ) / f a c t o r i a l ( i ) ; ERelVer ( i +1)=abs (R( i +1) RExac ) / RExac 100; EApro ( i +1)=abs (R( i +1) R( i ) ) /R( i +1) 100; while EApro ( i +1)>EEst i = i +1; R( i +1)=R( i ) ˆ ( i ) / f a c t o r i a l ( i ) ; ERelVer ( i +1)=abs (R( i +1) RExac ) /R( i +1) 100; EApro ( i +1)=abs (R( i +1) R( i ) ) /R( i +1) 100; end F i n a l 1 =[ i R( i +1) EApro ( i +1) ] F i n a l 2 =[R( 2 : i +1) ERelVer ( 2 : i +1) EApro ( 2 : i +1) ]
54 Ejemplos Programa MATLAB F i n a l 1 = F i n a l 2 =
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