Evaluaciones – Página 3 – Métodos numéricos

2023-08-312023-09-01

2Eva_2023PAOI_T2 Péndulo vertical amortiguado

2da Evaluación 2023-2024 PAO I. 29/Agosto/2023

Tema 2 (35 puntos) Una mejor aproximación a un péndulo oscilante con un ángulo θ más amplio y con un coeficiente de amortiguamiento μ se expresa con una ecuación diferencial ordinaria de segundo orden.

$\frac{d^2 \theta}{dt^2} = -\mu \frac{d\theta}{ dt}-\frac{g}{L}\sin (\theta)$

g = 9.81 m/s²
L = 2 m
θ(0) = π/4 rad
θ’ (0) = 0 rad/s

El péndulo se suelta desde el reposo, desde un ángulo de π/4 respecto al eje vertical. El coeficiente de amortiguamiento μ=0.5 es proporcional a la velocidad angular.

a. Realice el planteamiento del ejercicio usando Runge-Kutta de 2do Orden

b. Desarrolle tres iteraciones para θ(t) con tamaño de paso h=0.2

c. Usando el algoritmo, aproxime la solución entre t=0 a t=10 s, adjunte sus resultados en la evaluación.

d. Realice una observación sobre el movimiento estimado del péndulo a lo largo del tiempo.

Rúbrica: literal a (5 puntos), literal b (15 puntos), literal c (10 puntos), literal d (5 puntos)

Referencia: 2Eva_IT2019_T2 Péndulo vertical

Vista general de ecuaciones diferenciales I Capítulo 1, 6min 54s. 3Blue1Brown 31-Marzo-2023.

2023-08-312023-09-01

2Eva_2023PAOI_T1 Material para medalla de academia

2da Evaluación 2023-2024 PAO I. 29/Agosto/2023

Tema 1 (30 puntos)
Una academia encarga a un joyero un modelo de medalla cuyo costo unitario se determina por el área descrita entre las funciones f(x) y g(x) presentadas.

Se considera que el grosor de la medalla es único e independiente de la forma de la medalla.

f(x) = 2-8\Big( \frac{1}{2} - x \Big)^2

0 \le x \lt 1

g(x) = -\Big( 1-x\Big)\ln \Big( 1- x \Big)

Para el desarrollo numérico, use diferentes métodos de Simpson para cada función.

a. Realice el planteamiento de las ecuaciones para el ejercicio.

b. Describa el criterio usado para determinar el número de tramos usado en cada caso.

c. Desarrolle las expresiones completas del ejercicio para cada función.

d. Indique el resultado obtenido para el área requerida y la cota de error.

e. Encuentre el valor del tamaño de paso si se requiere una cota de error de 0.00032

Nota: en Python ln(x) se escribe np.log(x).

Rúbrica: literal a (5 puntos), literal b (5 puntos), literal c (10 puntos), literal d (5 puntos), literal e (5 puntos)

Referencia: Star Trek https://intl.startrek.com/
¿A quien se le ocurrió crear la moneda? | Discovery en Español Youtube.com 8 nov 2016.

2023-07-052023-07-10

1Eva_2023PAOI_T3 Recoger los restos de sumergible

1ra Evaluación 2023-2024 PAO I. 4/Julio/2023

Tema 3 (35 puntos) Suponga que se requiere planificar la operación de recolección de restos del accidente del sumergible ocurrido en junio del 2023 usando un robot autónomo sumergible.

Existen limitaciones debidas a la profundidad del lecho submarino, las fuertes corrientes que fluyen desde el oeste, limitada energía en las baterías del robot, etc.

El recorrido del robot se puede programar usando un polinomio para el intervalo de las coordenadas presentadas.

Se estima poder realizar tan solo dos recorridos desde el oeste hacia el este.

a. Plantee el ejercicio usando interpolación polinómica para realizar un recorrido para la recolección de restos, describiendo los criterios usados para la selección de los puntos.

b. Desarrolle un primer polinomio usando el método de diferencias divididas de Newton

c. Excluyendo los puntos usados en el literal anterior, desarrolle otro polinomio usando el método de Lagrange.

d. Grafique los resultados obtenidos para cada caso.

e. Determine el error de cada polinomio como la distancia entre cada punto por el que no pasa el polinomio y la coordenada equivalente en el polinomio. Realice observaciones a los resultados.

xi = np.array([0.2478, 0.6316, 1.3802, 2.4744, 2.7351, 2.8008,
               3.5830, 3.6627, 3.7213, 4.2796, 4.3757, 4.6794])
fi = np.array([1.8108, 0.1993, 4.7199, 2.4529, 2.3644, 3.5955,
               2.6558, 4.3657, 4.1932, 4.6998, 4.7536, 1.5673])

Nota: Los valores de la tabla se establecen para el ejercicio y no corresponden a una referencia publicada.

Rúbrica: literal a (5 puntos), literal b (10 puntos), literal c (10 puntos), literal d (5 puntos), literal e (5 puntos)

Referencia: [1] La Guardia Costera de EE.UU. anuncia una investigación oficial sobre la implosión del sumergible Titán. RTVE.es / EFE. 26.06.2023 https://www.rtve.es/noticias/20230626/eeuu-anuncia-investigacion-oficial-sumergible-titan/2450440.shtml

[2] Así será la recuperación de los restos del sumergible Titán, según un experto militar. CNN en Español. 23 jun 2023.

2023-07-052023-07-10

1Eva_2023PAOI_T2 Productos en combo por subida de precio

1ra Evaluación 2023-2024 PAO I. 4/Julio/2023

Tema 2 (35 puntos) Un restaurante usa materia prima como: arroz, cebolla, papa, huevos, leche, etc.

Sin embargo los precios han presentado variaciones en el mercado presentando como causas: las lluvias fuertes, el fenómeno del niño, daños en las cosechas y variaciones en insumos por la guerra Ucrania.

Un proveedor mayorista ofrece “combo” de productos por un valor total registrado en varias semanas como:

	arroz [Kg]	cebolla [Kg]	papa [Kg]	huevo [docena]	Total Pagado [USD]
Semana 1	500	600	400	90	1660
Semana 2	800	450	300	100	1825
Semana 3	400	300	600	80	1430

Nota: Los valores de la tabla se establecen para el ejercicio y no corresponden a una referencia publicada.

Se requiere conocer el precio unitario de los insumos para estimar el presupuesto operativo semanal del restaurante.

a. Plantee el ejercicio usando los datos de la tabla. Considere justificar el uso de una variable libre.

b. Establezca la forma matricial del sistema de ecuaciones y como matriz aumentada

c. De ser necesario realice el pivoteo parcial por filas

d. Use el método iterativo de Gauss-Seidel, realizando al menos 3 iteraciones. Estime la tolerancia, y justifique.

e. Comente sobre la convergencia del método y justifique sus observaciones usando los errores entre iteraciones.

Nota: considere el precio de 50 USD para el quintal métrico (100Kg) de arroz, y precios menores del mismo orden de magnitud para los demás productos. La docena de huevo a 2,5 USD.

Rúbrica: literal a (2 puntos), literal b (5 puntos), literal c (3puntos), literal d (15 puntos), literal e (5 puntos)

Referencia: [1] Papa, arroz, huevos, cebolla y gas escasean en las islas Galápagos por problemas de abastecimiento. Eluniverso.com. 9 Junio 2023. https://www.eluniverso.com/noticias/ecuador/escasez-de-productos-en-islas-galapagos-persiste-nota/

[2] El Gobierno importará arroz para controlar que el precio no suba por especulación o escasez. Ecuavisa. 16 junio 2023. https://www.ecuavisa.com/noticias/ecuador/el-gobierno-importara-arroz-para-controlar-que-el-precio-no-suba-por-especulacion-o-escasez-CK5396253

[3] Estos son los alimentos de la canasta básica que se han encarecido por las lluvias. Ecuavisa. 05 junio 2023. https://www.ecuavisa.com/la-noticia-a-fondo/estos-son-los-alimentos-de-la-canasta-basica-que-se-han-encarecido-por-las-lluvias-FX5303236

[4] Cebolla, arroz, piña y tomate son los productos que han subido su precio en mercados de Quito. La Hora. Junio 23, 2023. https://www.lahora.com.ec/pais/cebolla-arroz-pina-y-tomate-son-los-productos-que-han-subido-su-precio-en-mercados-de-quito/

[5] Escasez de arroz ya se refleja en los mercados de Ecuador | Televistazo | Ecuavisa. 14 jun 2023

2023-07-052023-07-10

1Eva_2023PAOI_T1 Desacople de cohete de dos etapas

1ra Evaluación 2023-2024 PAO I. 4/Julio/2023

Tema 1 (30 puntos) El 20 de abril del 2023 será recordado por SpaceX por ser el día en que Starship, el cohete totalmente re – utilizable más alto y más potente de la historia, consiguió alzar el vuelo.

Sin embargo, la nave ha explotado pocos minutos después de su despegue.

El sistema de lanzamiento es de dos etapas: la primera etapa impulsa el vehículo al momento del lanzamiento, en la segunda etapa el cohete propulsor se desacopla y la nave sigue su camino en solitario encendiendo otros seis motores.

Para el siguiente lanzamiento se usa la separación de etapas en caliente (hot staging), que arranca los motores de la etapa superior, o nave, mientras que la primera etapa, todavía está acoplada y funcionando.

Considere que la velocidad vertical de un cohete se calcula con la fórmula:

v = u \ln\Big(\frac{m_0}{m_0-qt}\Big) - gt

Donde:

v   = velocidad hacia arriba,
u   = 1870 m/s, velocidad a que se expele el combustible en relación con el cohete,
m₀ = 195 000 kg, masa inicial del cohete en el tiempo t = 0,
q    = 2 500 kg/s, tasa de consumo de combustible y
g    = 9.8 m/s2, aceleración de la gravedad

Si la segunda etapa debe iniciar cuando la velocidad del vehículo ha alcanzado los 800 m/s, encuentre el valor de tiempo cuando se debe iniciar el encendido de los seis motores de la nave.

a. Plantee el ejercicio a resolver usando un método numérico para búsqueda de raíces

b. Verifique el intervalo a usar

c. Desarrolle al menos tres iteraciones con todas las expresiones

d. Muestre la tolerancia y errores a considerar

e. Realice las observaciones de convergencia

Rúbrica: literal a (3 puntos), literal b (2puntos), literal c (15puntos), literal d (5 puntos), literal e (5 puntos)

Referencia: [1] En su reconstrucción de Starship, Spacex ha encontrado una inspiración sorprendente: el Soyuz soviético. 28 Junio 2023. https://www.xataka.com/espacio/spacex-se-prepara-para-volver-a-lanzar-starship-starship-grandes-cambios-que-recuerdan-al-soyuz-sovietico

[2] Los 4 minutos de gloria del cohete Starship. nationalgeographic.com.es 02 de mayo de 2023. https://www.nationalgeographic.com.es/ciencia/starship-primera-mision-cohete-mas-potente-historia_19780

[3] Starship Explosion Video: Watch Elon Musk’s Rocket Explode After Launch. Wall Street Journal. 20 abr 2023.

2023-02-072023-02-07

3Eva_2022PAOII_T4 Recesión económica, PIB y diferenciación numérica

3ra Evaluación 2022-2023 PAO II. 7/febrero/2023

Tema 4. (20 puntos) Las recesiones económicas se caracterizan por presentar una disminución del consumo, de la inversión y de la producción de bienes y servicios. Lo cual provoca, a su vez, que se despidan trabajadores y por tanto, aumente el desempleo. La recesión es también conocida como el periodo de «vacas flacas».

La opinión emitida por Julius Shiskin en un artículo publicado el 28 de agosto de 1975 en el diario New York Times en torno a dos trimestres consecutivos de caída del PIB como plazo definitorio para el considerar una recesión.

a. Plantee y describa los métodos de diferenciación numérica que usen dos y tres puntos para primera derivada.

b. Realice tres iteraciones con los métodos numéricos seleccionados. Describa el tamaño de paso usado en cada método.

c. Compare los resultados del literal anterior y escriba sus observaciones respecto a las cotas de error.

d. Determine los periodos de “recesión económica” para los datos proporcionados entre el año 2012 y 20122. Liste acorde a lo definido por J. Shiskin. Use los algoritmos y adjunte los archivos usados (py,txt,png).

trimestres = ['2012.I', '2012.II', '2012.III', '2012.IV',
 '2013.I', '2013.II', '2013.III', '2013.IV', '2014.I',
 '2014.II', '2014.III', '2014.IV', '2015.I', '2015.II',
 '2015.III', '2015.IV', '2016.I', '2016.II', '2016.III',
 '2016.IV', '2017.I', '2017.II', '2017.III', '2017.IV',
 '2018.I', '2018.II', '2018.III', '2018.IV', '2019.I',
 '2019.II', '2019.III', '2019.IV', '2020.I', '2020.II',
 '2020.III', '2020.IV', '2021.I', '2021.II', '2021.III',
 '2021.IV', '2022.I', '2022.II', '2022.III']

PIB trimestral = [21.622937, 21.908844, 22.106937,
 22.285826, 23.019786, 23.441324, 24.238576, 24.429973,
 24.829431, 25.540887, 25.9404, 25.415613, 25.052739,
 25.086195, 24.779738, 24.371709, 24.913573, 24.926186,
 24.910741, 25.187196, 26.000261, 25.99355, 25.960907,
 26.341144, 26.510612, 26.761827, 27.078404, 27.211165,
 26.914897, 27.058331, 27.054758, 27.080023, 26.314576,
 23.110752, 24.64388, 25.221916, 25.412756, 26.20682,
 26.828611, 27.717679, 28.372038, 28.74092, 29.334581]

Rúbrica: literal a (3 puntos), literal b (9 puntos). literal c(3 puntos) literal d (5 puntos)

Referencia: Recesión económica. Wikipedia. https://es.wikipedia.org/wiki/Recesi%C3%B3n
Recesión económica. economipedia. https://economipedia.com/definiciones/recesion-economica.html

Boletín de Cuentas Nacionales Trimestrales No. 121, valores constantes USD 2007 y corrientes, período : 2000.I – 2022.IIIIT Banco Central del Ecuador (2022) https://contenido.bce.fin.ec/documentos/PublicacionesNotas/Catalogo/CuentasNacionales/Indices/c121122022.htm

2023-02-072024-07-26

3Eva_2022PAOII_T3 EDO cabezal lector en disco duro

3ra Evaluación 2022-2023 PAO II. 7/febrero/2023

Tema 3. (35 puntos) El objetivo de un sistema de Disco duro es posicionar con precisión el dispositivo de lectura en la pista buscada y moverse entre una pista y otra.

Se requiere identificar el plato de disco, el sensor y el controlador.

El disco duro usa un motor DC de imán permanente para posicionar el brazo lector con el sensor en un extremo. Un resorte metálico se usa para permitir que el cabezal flote sobe el disco a una distancia menor a 100nm.

El cabezal toma lectura del flujo magnético y da una señal al amplificador.

Suponiendo que dispone del dispositivo de lectura de precisión, una aproximación del modelo de control del motor con K_a=40, se supone que el brazo es rígido con parámetros como los mostrados, el sistema se puede aproximar como un sistema de orden 2 en el dominio s o en su forma de ecuación diferencial.

Y(s)(s^2+20s+5K_a )=X(s)5K_a

\frac{\delta^2}{\delta t^2 } y(t) + 20 \frac{\delta}{\delta t} y(t) + 5 K_a y(t) = x(t) 5 K_a

y(0) = 0 y’(0) = 0

x(t) = \begin{cases} 0 & t\lt 0 \\ 1 & t≥0 \end{cases}

Encuentre la respuesta del sistema y(t) ante una señal de entrada x(t), con las condiciones iniciales dadas.

a. Plantee la solución usando el método de Runge-Kutta de 2do orden.
b. Desarrolle tres iteraciones para Δt = 0.01
c. Estime el error del modelo usado
d. Realice la gráfica para y(t) para el intervalo de [0,1] segundos. Adjunte los archivos de los algoritmos.py usados para los cálculos, los resultados.txt y gráfica.png

Rúbrica: literal a (5 puntos), literal b (15 puntos), literal c (5 puntos), literal d y adjuntos (10 puntos)

Referencia: Bishop R. & Dorf R. (2017) 13th Edition. 2.10 sequential Design example: Disk Drive read system. p122.
How do Hard Disk Drives Work? Branch Education. 22 diciembre 2022.

2023-02-072023-02-11

3Eva_2022PAOII_T2 Globo meteorológico espía distancia mas cercana

3ra Evaluación 2022-2023 PAO II. 7/febrero/2023

Tema 2. (20 puntos) Se requiere hacer el seguimiento a la trayectoria del globo aerostático del tema anterior, para descartar las sospechas de espionaje.

Dadas las coordenadas de un lugar considerado como de seguridad nacional p1(x,y)=[25,50] , se requiere revisar la distancia más cercana de la trayectoria y(x) del globo al punto de “interés”.

Se compararía la distancia mínima con el alcance las cámaras y sensores encontrados en los escombros del globo derribado.

Usando la trayectoria obtenida como resultado del tema anterior, se requiere:

a. Plantee el ejercicio describiendo los criterios usados, el método numérico y una tolerancia a usar.

b. Desarrolle el método para encontrar la raíz de la ecuación planteada, con al menos tres iteraciones.

c. Estime la cota de error, compare con la tolerancia descrita en el literal a.

Nota: Si el resultado del tema 1 no es satisfactorio, desarrolle el tema con y(x) = 70sin(0.1πx+0.5)

Rúbrica: literal a (5 puntos), literal b (10 puntos), literal c (5 puntos)

2023-02-072023-02-11

3Eva_2022PAOII_T1 Globo meteorológico espía derribado

3ra Evaluación 2022-2023 PAO II. 7/febrero/2023

Tema 1. (25 puntos) En enero del 2023 se detectó un globo aerostático supuestamente espía sobre el territorio soberano de un país, que sobrevoló a 18 Km de altura en la estratosfera y que «no representaba ningún riesgo militar o físico los ciudadanos en la superficie».

Otro país vecino al mismo tiempo hacía seguimiento a otro «posible segundo incidente», se anunció en los medios de comunicación. En el primer caso se decidió no destruir el aparato por el temor de que la caída de sus escombros podría haber sido peligrosa para la superficie y no representaba el globo un peligro inmediato.

Como seguimiento al caso, se requiere describir la trayectoria del globo mediante ecuaciones a partir de las coordenadas de avistamiento reportadas por civiles.

ti    = [11, 12, 14, 15, 17, 19]
x(ti) = [15, 18, 25, 27, 31, 40]
y(ti) = [45, 55, 65, 58, 55, 40]

a. Plantear el ejercicio, describiendo los criterios, método numérico, segmentos a usar en las ecuaciones para realizar la interpolación polinómica de Lagrange.

minimizando oscilaciones del polinomio que puedan resultar en interpretaciones erradas.

b. Realizar el desarrollo analítico de las ecuaciones planteadas y presente el polinomio simplificado.

c. Validar los resultados usando el algoritmo, adjunte los archivos.py, resultados.txt, gráfica.png

Rúbrica: literal a (5 puntos), literal b (10 puntos), literal c (10 puntos)

Referencias: Detectan un globo aerostático espía sobre territorio. Rtve.es/Agencias 03/febrero/2023. https://www.rtve.es/noticias/20230203/eeuu-detecta-globo-aerostatico-espia-china-sobre-su-territorio/2420646.shtml

Derriban globo «espía» sobre la costa del Atlántico. DW 04/febrero/2023. https://www.dw.com/es/eeuu-derriba-globo-esp%C3%ADa-chino-sobre-la-costa-del-atl%C3%A1ntico/a-64613403

EE.UU. derriba el presunto globo espía de China. CNN en Español. 4 feb 2023.

Globos chinos en América desatan preocupación mundial. DW Español
DW Español. 10 feb 2023

2023-01-242023-01-27

2Eva_2022PAOII_T3 EDP Parabólica con coseno 3/4π

2da Evaluación 2022-2023 PAO II. 24/Enero/2023

Tema 3. (35 puntos) Aproxime la solución a la siguiente ecuación diferencial parcial parabólica

\frac{\partial^2 u}{\partial x^2} = b \frac{\partial u}{\partial t}

Con las siguientes condiciones de frontera:
u(0,t)=1
u(1,t)=0

Y las condiciones iniciales
$u(x,0) = \cos \Big( \frac{3π}{2}x\Big)$

Utilice diferencias finitas centradas para x, para t hacia adelante.

a. Plantee las ecuaciones para usar un método numérico en un nodo i,j
b. Realice la gráfica de malla,
c. desarrolle y obtenga el modelo discreto para u(xi,tj)

Suponga que b = 2, Aproxime la solución con Δx = 0.2, Δt = Δx/100.

d. Realice al menos tres iteraciones en el eje tiempo.
e. Estime el error de u(xi,tj), y presente observaciones sobre la convergencia del método.

Rúbrica: literal a (5 puntos), literal b (5 puntos), literal c (5 puntos), literal d (15 puntos), literal e (5 puntos).

Referencia: Chapra & R. Canale (2010). Métodos Numéricos para Ingenieros. Ejercicio 30.15 p904,
Solving the heat equation | DE3. 3Blue1Brown 16 Junio 2019.