( ) + + β i ( x x i ) +

Documentos relacionados
TEMA 5: INTERPOLACION NUMERICA

Ejercicios Temas 3 y 4: Interpolación polinomial. Ajuste de curvas.

ax 2 + bx + c = 0, con a 0

Práctica 6 INTERPOLACIÓN

PROBLEMAS RESUELTOS ÁLGEBRA LINEAL Tema 3. Transformaciones Lineales

Espacios Vectoriales

ƒ : {(1, 4), (2, 5), (3, 6), (4, 7)}.

TEMA 6: DERIVACION NUMERICA

Métodos Numéricos Grado en Ingeniería Informática Univ. Tema de Las 7 Interpolación Palmas de G.C. de funciones 1 / 42II

Apéndice sobre ecuaciones diferenciales lineales

EJERCICIOS DE ÁLGEBRA LINEAL TEMA 1 ESPACIOS VECTORIALES

Grado en Química Bloque 1 Funciones de una variable

Aplicaciones de Sistemas de Ecuaciones Lineales

Espacios vectoriales

Funciones reales. Números complejos

I. Operaciones con matrices usando Mathematica

Anillo de polinomios con coeficientes en un cuerpo

Tema 6: Ecuaciones diferenciales lineales.

CONCEPTOS BÁSICOS DE ESPACIOS VECTORIALES Alumno. Cristina Mª Méndez Suero

1. ECUACIONES DIFERENCIALES ORDINARIAS

Separar en intervalos de la forma [m, m + 1], con m Z, las raíces de la ecuación: F (x) = x 3 + 3x 2 1 = 0

4.1. Polinomios y teoría de ecuaciones

1. dejar a una lado de la igualdad la expresión que contenga una raíz.

Funciones convexas Definición de función convexa. Tema 10

Esta expresión polinómica puede expresarse como una expresión matricial de la forma; a 11 a 12 a 1n x 1 x 2 q(x 1, x 2,, x n ) = (x 1, x 2,, x n )

Notas del cursos. Basadas en los prontuarios de MATE 3001 y MATE 3023

7. Forma de Lagrange para el polinomio interpolador. 9. Forma de Newton para el polinomio interpolador

Cálculos de ecuaciones

4. Complementos sobre Problemas de Contorno para S.D.O. Lineales. 4. Complementos sobre Problemas de Contorno

Tema 1: Espacios vectoriales

Definición. Un conjunto de ecuaciones diferenciales con varias funciones incógnitas, se llama sistema de ecuaciones diferenciales.

Práctica 1. Espacios vectoriales

CÁLCULO II. Grado M+I. Sucesiones y series de funciones. Sucesiones y series de funciones 1 / 27. Grado M+I () CÁLCULO II

Tema 2.- Formas Cuadráticas.

Tema 3: Espacios vectoriales

Ecuaciones diferenciales. Una introducción para el curso de Cálculo I y II.

ECUACIONES POLINÓMICAS CON UNA INCÓGNITA

(x + y) + z = x + (y + z), x, y, z R N.

EL PROBLEMA DE LA TANGENTE

TRANSFORMADA DE LAPLACE. Definición: Transformada de Laplace. Sea f(t) una función definida para t 0; a la expresión

Prueba del LEMA 2: Si n = 0, p(x) = a 0. Si n > 0, usamos la idea clave de este Tema: la división con resto del polinomio p(x) por (x x 0 ) :

ALGEBRA 1- GRUPO CIENCIAS- TURNO TARDE- Espacios vectoriales

520142: ALGEBRA y ALGEBRA LINEAL

UNIVERSIDADES DE ANDALUCÍA PRUEBA DE ACCESO A LA UNIVERSIDAD

El Teorema Fundamental del Álgebra

Unidad 2: Ecuaciones, inecuaciones y sistemas.

Métodos Matemáticos 2 Ecuaciones Diferenciales de Orden Superior

Dos matrices son iguales cuando tienen la misma dimensión y los elementos que ocupan el mismo lugar en ambas son iguales

4.1 El espacio dual de un espacio vectorial

2 = 1 0,5 + = 0,5 c) 3 + = = 2

Solución numérica de ecuaciones diferenciales con condiciones iniciales

ALGEBRA y ALGEBRA LINEAL. Primer Semestre CAPITULO 6. POLINOMIOS DE UNA VARIABLE.

Materia: Matemática de 5to Tema: Método de Cramer. Marco Teórico

ECUACIONES DIFERENCIALES ORDINARIAS LINEALES DE SEGUNDO ORDEN

Funciones de Clase C 1

Problemas de exámenes de Aplicaciones Lineales y Matrices

f(x) = x 2 Ejercicio 121 Para x = 1/2 formar los cocientes incrementales f/ x para los incrementos entre x = 1 y x = 1+ x de tres maneras diferentes:

Grado en Química Bloque 1 Funciones de una variable

UNIVERSIDADES DE ANDALUCÍA PRUEBA DE ACCESO A LA UNIVERSIDAD

Espacios Vectoriales. Espacio vectorial

DEFINICIONES TIPOS DE MATRICES DETERMINANTES Y PROPIEDADES OPERACIONES MATRICIALES INVERSA DE UNA MATRIZ SISTEMAS DE ECUACIONES

como el número real que resulta del producto matricial y se nota por:

Sistemas de ecuaciones lineales dependientes de un parámetro

Matemáticas I: Hoja 2 Cálculo matricial y sistemas de ecuaciones lineales


Subespacios vectoriales en R n

Matriz asociada a una transformación lineal respecto a un par de bases

Ecuaciones Diferenciales Ordinarias de Orden Superior al primero


RESOLUCIÓN DE SISTEMAS MEDIANTE DETERMINANTES

Proceso Selectivo para la XXII IMC, Bulgaria

Ecuaciones matriciales AX = B y XA = B. Cálculo de la matriz inversa

Ecuaciones Simultáneas de primer grado. I. Eliminación por igualación. P r o c e d i m i e n t o

Problemas de Espacios Vectoriales

COLEGIO UNIVERSITARIO CARDENAL CISNEROS. Libro de Ejercicios de Matemáticas Empresariales II

(x a) f (n) (a) Los polinomios de Taylor en el punto a = 0, suelen denominarse polinomios de McLaurin. n,a(a) = f (k) (a):

Definición Dados dos números naturales m y n, una matriz de orden o dimensión m n es una tabla numérica rectangular con m filas y n columnas.

Sistemas de Ecuaciones Lineales y Matrices

un conjunto cuyos elementos denominaremos vectores y denotaremos por es un espacio vectorial si verifica las siguientes propiedades:

EJERCICIOS DE SELECTIVIDAD LOGSE en EXTREMADURA MATRICES, DETERMINANTES Y SISTEMAS DE ECUACIONES

sobre un intervalo si para todo de se tiene que. Teorema 1 Sean y dos primitivas de la función en. Entonces,

ECUACIONES EN DIFERENCIAS LINEALES CON COEFICIENTES CONSTANTES

Tema 3 Álgebra Matemáticas I 1º Bachillerato. 1

Órdenes y funciones básicas (segunda parte) Práctica 2.

x ln x dx Solución: Resolvemos la integral por partes. Si hacemos u = ln x y dv = xdx, entonces u =ln x du = 1 x dx x 2 dx = 1 2 x2 ln x x2

PAUTA AUXILIAR Nº4. 1. Sean los puntos,,. Pruebe que no son colineales y encuentre la ecuación

IES Fco Ayala de Granada Septiembre de 2013 (Modelo 4 Especifico 2) Solución Germán-Jesús Rubio Luna. Opción A

Aplicaciones de la derivada Ecuación de la recta tangente

TEMA 2: DERIVADA DE UNA FUNCIÓN

Método de diferencias finitas para ecuaciones diferenciales parciales elípticas. (Parte II)

Tema 5. Derivación Matricial.

Trabajo Práctico N 5: ESPACIOS VECTORIALES

PROBLEMA [1.5 puntos] Obtener la ecuación de la recta tangente en el punto ( 2, 1) a la curva dada implícitamente por y 3 +3y 2 = x 4 3x 2.

Parte I. Iniciación a los Espacios Normados

3- Sistemas de Ecuaciones Lineales

Calcular el cociente y el resto en las siguientes divisiones: 6x 3 + 5x 2 9x 3x 2. (b)

Cálculo de la matriz asociada a una transformación lineal (ejemplos)

Unidad II. Si una función f(x) tiene primitiva, tiene infinitas primitivas, diferenciándose todas ellas en unaconstante.

MATEMÁTICAS APLICADAS A LAS C.C. SOCIALES

Tema 4: Aplicaciones lineales

Transcripción:

4.. Spline Cúbico clase 1 Una función como la de (4.9) se dice que es un spline cúbico clase 1 si cada s i = s i (x) es un polinomio de grado y la función es continua y derivable en todo el intervalo; es decir, para i =1,,,n 1 s i (x i ) = s i +1 (x i ). s i (x i ) = s i +1 (x i ) Al conjunto de funciones de este tipo lo notamos por: Proposición 4. El conjunto S(,1; { x 0,x 1,,x n }) satisface las propiedades siguientes: S(,1; { x 0,x 1,,x n }) ( ( { })) = (n +1); 1 Es un espacio vectorial con dim S,1; x 0,x 1,,x n Una base de tal espacio es: 1,x,x,x { ; ( x x 1 ) +, ( x x1 ) +,, ( x xn 1 ) +, ( x xn 1 ) + } La propiedad nos permite escribir una función spline cúbico clase 1, en forma global, como: n 1 ( ) + + β i ( x x i ) + i =1[ ] s(x) = a + bx + cx + dx + α i x x i (4.1) Interpolación con spline cúbicos clase 1. Como la dimensión del espacio es (n+1), tomaremos en cada nodo de interpolación dos datos; es decir, valor ( y i ) y derivada ( d i ). Así, el problema es: Hallar s(x) S(,1; { x 0,x 1,,x n }) verificando: s(x i ) = y i i = 0,1,,n s (x i ) = d i i = 0,1,,n (4.14) El problema (4.14) admite una única solución que puede obtenerse trozo a trozo ( s i (x)) como sigue: s i (x i 1 ) = y i 1 s i (x i ) = y i s i (x i 1 ) = d i 1 s i (x i ) = d i 15

Este problema se resuelve como en el caso del interpolante cúbico de Hermite sin más que intercambiar los papeles de x 0, x 1 por los de x i 1, x i (es decir, 0 i 1 y 1 i). Calculados los trozos se escribe la solución en la forma: s 1 x 0 x < x 1 s x 1 x < x s(x) = s n x n 1 x x n con s i = y i 1 + d i 1 (x x i 1 ) + P i d i 1 (x x h i 1 ) + d i 1 + d i P i (x x i 1 ) (x x i ) i h i Aquí, P 1, P,,P n son las diferencias divididas de orden 1 (o pendientes) para los datos iniciales y d 0, d 1, d,,d n son derivadas o aproximaciones de derivadas en los nodos x i ( h i = x i x i 1 i=1,,,n). En la práctica habitual no se conocen las derivadas pues los datos suelen ser de tipo experimental, en cuyo caso, se utilizan valores que representen aproximaciones de ellas (razones de cambio de una magnitud respecto de la otra). Una forma común es la siguiente: Conocidos los datos {(x i,y i ) i = 0,1,,n}, se toman los valores siguientes para las derivadas (desde las D.D.1 o pendientes): d 0 = P 1 d i = h i P i+1 + h i+1 P i h i + h i+1 = si h i =h i P i+1 + P i para i =1,,,n -1 d n = P n También puede utilizarse la base del espacio de spline cúbicos clase 1 para resolver el problema (4.14). 16

Ejemplo 4.6 Calcular el spline cúbico clase 1 para los datos (con derivadas conocidas) siguientes: Solución Método Global (uso de una base) x i 1 0 1 y i 1 5 7 d i 0 1 0 { } El espacio que usamos es: S(,1; { 1,0,1 }) cuya base es: 1,x,x,x ; x +,x+ Para dar una expresión global hemos de escribir el spline como: s(x) = a + bx + cx + dx +αx + + βx+ Imponemos las condiciones de interpolación en todos los nodos resultando el sistema: s( 1) =1 a b + c d =1 s(0) = 5 a = 5 s(1) = 7 a + b + c + d +α + β = 7 s ( 1) = 0 b c + d = 0 s (0) =1 b =1 s (1) = 0 b + c + d + α + β = 0 cuya solución es: a = 5, b =1, c = -10, d = -7, α =14, β = 4. Por lo tanto la solución se escribe como: s(x) = 5 + x -10x - 7x +14x + + 4x+ Método Local (trozo a trozo) La construcción a trozos es la que sigue (usando la tabla de D.D. con argumentos repetidos): x i y i D.D.1 D.D. D.D. -1 1 - - -1 1 0-0 5 4 4-0 5 1 - -7 x i y i D.D.1 D.D. D.D. 0 5 - - 0 5 1-1 7 1-1 7 0 - - Tabla D.D. para s 1 (x) Tabla D.D. para s (x) 17

Desde aquí se deduce la expresión, a trozos, del spline interpolante siguiente: s(x) = s 1 =1 + 4(x +1) 7(x +1) x 1 x 0 s = 5 + x + x x (x 1) 0 x 1 Cuando no se dispone de las derivadas, éstas se han de obtener antes de calcular las D.D. asociadas a cada trozo. 4.. Spline Cúbico clase Una función como la de (4.9) se dice que es un spline cúbico 1 clase si cada s i = s i (x) es un polinomio de grado y la función es continua y derivable veces en todo el intervalo; es decir, para i =1,,,n 1 s i (x i ) = s i +1 (x i ) s i (x i ) = s i +1 (x i ). s i (x i ) = s i +1 (x i ) Al conjunto de funciones de este tipo lo notamos por: Proposición 4.4 ( ) satisface las propiedades siguientes: El conjunto S,; { x 0,x 1,,x n } 1. Es un espacio vectorial con dim S,; x 0,x 1,,x n S(,; { x 0,x 1,,x n }) ( ( { })) = n + ;. Una base de tal espacio es: 1,x,x,x ; x x 1 { ( ) +,, ( x xn 1 ) + } La propiedad nos permite escribir una función spline cúbico, en forma global, como: n 1 ( ) + s(x) = a + bx + cx + dx + α i x x i (4.15) i =1 Interpolación con spline cúbicos clase. Como la dimensión del espacio es n+, tendremos dos libertades en la resolución del problema de interpolar n+1 datos {(x i,y i ); i = 0,1,...,n}. 1 En la literatura especializada sobre spline, cuando se menciona "spline cúbico" se está hablando del spline cúbico clase. 18

Así, un problema clásico es: Hallar s(x) S(,; { x 0,x 1,,x n }) verificando: s(x i ) = y i i = 0,1,,n s (x 0 ) = 0 = s (x n ) (4.16) El problema (4.16) admite una única solución llamada: "SPLINE CÚBICO NATU- RAL". Esta solución puede obtenerse desde la construcción del Spline Cúbico clase 1. Para ello, hemos de generar las derivadas d 0, d 1, d,,d n usando, para ello, las condiciones necesarias para que tal spline sea dos veces derivable y cumpla las dos condiciones agregadas ( s (x 0 ) = 0 = s (x n ) ) a las de interpolación básica ( s(x i ) = y i i ). Más concretamente, el SPLINE s 1 x 0 x < x 1 s x 1 x < x s(x) = s n x n 1 x x n con s i = y i 1 + d i 1 (x x i 1 ) + P i d i 1 (x x h i 1 ) + d i 1 + d i P i (x x i 1 ) (x x i ) i h i será solución de (4.16) si las derivadas d 0, d 1, d,,d n son la única solución del S.E.L. de orden ( n +1) ( n +1) siguiente (forma matricial): 1 0 0 h (h 1 + h ) h 1 0 0 h n (h n 1 + h n ) h n 1 0 0 1 d 0 d 1 d n 1 d n P 1 ( h P 1 + h 1 P ) = ( h n P n 1 + h n 1 P n ) P n (4.17) Aquí, de nuevo, P 1, P,,P n son las diferencias divididas de orden 1 (o pendientes) para los datos iniciales {(x i,y i ) i = 0,1,,n} La unicidad de la solución es debida a la propiedad que la matriz de coeficientes satisface; a saber: Es una matriz E.D.D. (estrictamente diagonal dominante) y por lo tanto tiene inversa. 19

También puede usarse la base del espacio de spline cúbicos para resolver el problema (4.16). Ejemplo 4.7 Calcular el SPLINE NATURAL para los datos siguientes: Solución Método Global (uso de una base) x i 1 0 1 y i 1 5 7 { } El espacio que usamos es: S(,; { 1,0,1 }) cuya base es: 1,x,x,x ; x + Una expresión del spline es: s(x) = a + bx + cx + dx +αx + Imponemos las condiciones de interpolación básica y las condiciones adicionales sobre la derivada segunda en los extremos resultando el sistema: s( 1) =1 a b + c d =1 s(0) = 5 a = 5 s(1) = 7 a + b + c + d +α = 7 s ( 1) = 0 c 6d = 0 s (1) = 0 c + 6d + 6α = 0 cuya solución es: a = 5, b = c =, d = 1 α =1 Por lo tanto la solución se escribe como: s(x) = 5 + x - x - 1 x + x + Método Local (trozo a trozo) Para la construcción a trozos lo primero es calcular las derivadas necesarias resolviendo el sistema (4.17) que en este caso particular (aquí h i =1 i) es: 1 0 1 4 1 0 1 d 0 d 1 d 1 = 18 6 cuya solución es: d 0 = 9, d 1 =, d = Así, usando estas derivadas podemos proceder como en el Ejemplo 4.6 (las tablas de D.D. con nodos repetidos se verán afectadas por las nuevas derivadas): 0

x i y i D.D.1 D.D. D.D. -1 1 - - -1 1 9/ - 0 5 4-1/ - 0 5-1 -1/ Tabla 4 D.D. para s 1 (x) x i y i D.D.1 D.D. D.D. 0 5 - - 0 5-1 7-1 - 1 7 / -1/ 1/ Tabla 5 D.D. para s (x) Desde aquí se deduce la expresión, a trozos, del SPLINE NATURAL siguiente: s 1 =1 + 9 (x +1) 1 (x +1) 1 (x +1) x 1 x 0 s(x) = s = 5 + x x + 1 x (x 1) 0 x 1 1