Ejercicio: 1Eva_2021PAOI_T2 Atención hospitalaria con medicamentos limitados

literal a

Se plantea el sistema de ecuaciones de acuerdo a la cantidad de medicamentos que se administra a cada tipo de paciente, siendo las variables X=[a,b,c,d] de acuerdo a la tabla:

	Niños	Adolescentes	Adultos	Adultos Mayores	Medicamentos /semana
Medicamento_A	0.3	0.4	1.1	4.7	3500
Medicamento_B	1	3.9	0.15	0.25	3450
Medicamento_C	0	2.1	5.6	1.0	6500

0.3 a + 0.4 b + 1.1 c + 4.7 d = 3500 a + 3.9 b + 0.15 c + 0.25 d = 3450 0 a +2.1 b + 5.6 c + 1.0 d = 6500

Mostrando que el número de incógnitas no es igual al número de ecuaciones, por lo que sería necesario de disponer de otra ecuación, o  usar una variable libre.

---

literal b

Siguiendo las indicaciones sobre la variable libre que sea para el grupo de pacientes niños, te tiene que

0.4 b + 1.1 c + 4.7 d = 3500 - 0.3 K 3.9 b + 0.15 c + 0.25 d = 3450 - K 2.1 b + 5.6 c + 1.0 d = 6500 - 0 K

y haciendo K = 100, se convierte en :

0.4 b + 1.1 c + 4.7 d = 3500 - 0.3(100) = 3470 3.9 b + 0.15 c + 0.25 d = 3450 - 100 = 3350 2.1 b + 5.6 c + 1.0 d = 6500 - 0 = 6500

literal c

Antes de desarrollar el ejercicio para el algoritmo se requiere convertir el sistema de ecuaciones a su forma matricial. Por lo que se plantea la matriz aumentada:

\begin{pmatrix} 0.4 & 1.1 & 4.7 & \Big| & 3470 \\ 3.9 & 0.15 &0.25 & \Big| & 3350 \\ 2.1 & 5.6 & 1.0 &\Big| & 6500\end{pmatrix}

Se realiza el pivoteo parcial por filas, que al aplicar en la primera columa, se intercambia la primera y segunda fila, de tal forma que el mayor valor quede en la primera casilla de la diagonal.

\begin{pmatrix} 3.9 & 0.15 &0.25 & \Big| & 3350 \\ 0.4 & 1.1 & 4.7 & \Big| & 3470 \\ 2.1 & 5.6 & 1.0 &\Big| & 6500\end{pmatrix}

se continua el mismo proceso para la segunda casilla de la diagonal hacia abajo, se aplica también pivoteo parcial,

\begin{pmatrix} 3.9 & 0.15 &0.25 & \Big| & 3350 \\ 2.1 & 5.6 & 1.0 &\Big| & 6500 \\ 0.4 & 1.1 & 4.7 & \Big| & 3470 \end{pmatrix}

Con lo que el sistema queda listo para resolver por cualquier método.

Si seleccionamos Gauss-Seidel, el vector inicial de acuerdo al enunciado será X0=[100,100,100]

y las ecuaciones a resolver son:

b = \frac{3350 - 0.15 c - 0.25 d}{3.9} c = \frac{6500 - 2.1 b - 1.0 d}{5.6} d = \frac{3470- 0.4 b - 1.1 c}{4.7}

iteración 1

X0=[100,100,100]

b = \frac{3350 - 0.15(100) - 0.25 (100)}{3.9} = 848.71 c = \frac{6500 - 2.1 (848.71 ) - 1.0 (100)}{5.6} = 824.58 d = \frac{3470- 0.4 (848.71 ) - 1.1 (824.58)}{4.7} = 473.07

X1=[848.71, 824.58, 473.07]

diferencia = [848.71, 824.58, 473.07] – [100,100,100]

diferencia = [748.71, 724.58, 373.07]

error = max|diferencia| = 748.71

resultado del error es mayor que tolerancia de 0.01, se continua con la siguiente iteración.

iteración 2

X1=[848.71, 824.58, 473.07]

b = \frac{3350 - 0.15 (824.58) - 0.25 (473.07)}{3.9} = 796.93 c = \frac{6500 - 2.1 (796.93) - 1.0 (473.07)}{5.6} = 777.38 d = \frac{3470- 0.4 (796.93) - 1.1 (777.38)}{4.7} = 488.53

X2 = [796.93, 777.38, 488.53]

diferencia = [796.93, 777.38, 488.53]  – [848.71, 824.58, 473.07]

diferencia = [-51.78 ,  -47.2, 15.52]

error = max|diferencia| = 51.78

iteración 3

X2 = [796.93, 777.38, 488.53]

b = \frac{3350 - 0.15 (777.38) - 0.25 (488.53)}{3.9} = 797.75 c = \frac{6500 - 2.1 (797.75) - 1.0 (488.53)}{5.6} = 774.31 d = \frac{3470- 0.4 (797.75) - 1.1 (774.31)}{4.7} = 489.18

x3 = [ 797.75, 774.31, 489.18]

diferencias = [ 797.75, 774.31, 489.18] – [796.93, 777.38, 488.53]

diferencias = [0.82, -3.07, 0.65]

error = max|diferencia| = 3.07

Observación, el error disminuye en cada iteración, por lo que el sistema converge.

solución con el algoritmo, solo se toma la parte entera de la respuesta, pues los pacientes son números enteros.

respuesta X: [797.83, 774.16, 489.20]

con lo que el primer resultado es:

 X = [797, 774, 489]

---

literal d

Si la cantidad de pacientes presentados en una seman es la que se indica en el enunciado [350,1400,1500,1040], se determina que el sistema hospitalario estatal no podrá atender a todos los pacientes al compara con la capacidad encontrada en el literal c.

Hay un exceso de 2129 pacientes encontrados por grupo:

exceso = [350, 1400, 1500, 1040] – [100, 797, 774, 489] = [250, 603, 726, 551]

con lo que se recomienda una medida de confinamiento para disminuir los contagios y poder atender a los pacientes que se presenten.

literal e

Siendo K = 0, al estar vacunados todos los niños, y suponiendo que la vacuna es una cura, se tiene:

0.4 b + 1.1 c + 4.7 d = 3500 - 0.3 K = 3500 3.9 b + 0.15 c + 0.25 d = 3450 - K = 3450 2.1 b + 5.6 c + 1.0 d = 6500 - 0 k = 6500

pivoteado parcialmente por filas se tiene:

\begin{pmatrix} 3.9 & 0.15 &0.25 & \Big| & 3450 \\ 2.1 & 5.6 & 1.0 &\Big| & 6500 \\ 0.4 & 1.1 & 4.7 & \Big| & 3500 \end{pmatrix}

Resolviendo por un método directo:

se obtiene:

respuesta X: [823.46, 763.35, 495.94]

que al compararse con la capacidad anterior en números enteros se encuentra una diferencia de un incremento de 21 pacientes neto ante la condición de usar todos los medicamentos disponibles.

diferencia = [823, 763, 495] – [797, 774, 489] = [26, -11, 6]

---

 Instrucciones en Python

# Método de Gauss-Seidel
# solución de sistemas de ecuaciones
# por métodos iterativos

import numpy as np

# INGRESO
A = np.array([[0.4, 1.10, 4.7 ],
              [3.9, 0.15, 0.25],
              [2.1, 5.60, 1.0  ]])
k = 100
B = np.array([3500.-0.3*k,3450-1*k,6500-0*k])

X0  = np.array([100.0,100,100])

tolera = 0.001
iteramax = 100

# PROCEDIMIENTO
# Matriz aumentada
Bcolumna = np.transpose([B])
AB  = np.concatenate((A,Bcolumna),axis=1)
AB0 = np.copy(AB)

# Pivoteo parcial por filas
tamano = np.shape(AB)
n = tamano[0]
m = tamano[1]

# Para cada fila en AB
for i in range(0,n-1,1):
    # columna desde diagonal i en adelante
    columna = abs(AB[i:,i])
    dondemax = np.argmax(columna)
    
    # dondemax no está en diagonal
    if (dondemax !=0):
        # intercambia filas
        temporal = np.copy(AB[i,:])
        AB[i,:]  = AB[dondemax+i,:]
        AB[dondemax+i,:] = temporal

A = np.copy(AB[:,:n])
B = np.copy(AB[:,n])

# Gauss-Seidel
tamano = np.shape(A)
n = tamano[0]
m = tamano[1]
#  valores iniciales
X = np.copy(X0)
diferencia = np.ones(n, dtype=float)
errado = 2*tolera

itera = 0
while not(errado<=tolera or itera>iteramax):
    # por fila
    for i in range(0,n,1):
        # por columna
        suma = 0 
        for j in range(0,m,1):
            # excepto diagonal de A
            if (i!=j): 
                suma = suma-A[i,j]*X[j]
        
        nuevo = (B[i]+suma)/A[i,i]
        diferencia[i] = np.abs(nuevo-X[i])
        X[i] = nuevo
    print(X)
    errado = np.max(diferencia)
    itera = itera + 1

# Respuesta X en columna
X = np.transpose([X])

# revisa si NO converge
if (itera>iteramax):
    X=0
# revisa respuesta
verifica = np.dot(A,X)

# SALIDA
print('respuesta X: ')
print(X)
print('verificar A.X=B: ')
print(verifica)

Ejercicio: 1Eva_2021PAOI_T1 Función recursiva y raíces de ecuaciones

Literal a

Evaluando las sucesión de la forma recursiva:

xi
[-0.45       -0.4383     -0.4458     -0.441      -0.4441 
 -0.4421     -0.4434     -0.4425     -0.4431     -0.4427
 -0.4429     -0.4428     -0.4429     -0.4428     -0.4429]
errores
[ 1.1745e-02 -7.5489e-03  4.8454e-03 -3.1127e-03  1.9986e-03
 -1.2837e-03  8.2430e-04 -5.2939e-04  3.3996e-04 -2.1833e-04
  1.4021e-04 -9.0044e-05  5.7826e-05 -3.7136e-05  0.0000e+00]

literal b

Se puede afirmar que converge, observe la diferencia entre cada dos valores consecutivos de la sucesión … (continuar de ser necesario)

literal c

Para el algoritmo se requiere la función f(x) y su derivada f'(x)

f(x) = x +ln(x+2) f'(x) = 1 + \frac{1}{x+2}

x₀ = -0.45

itera = 1

x_{i+1} = x_i -\frac{f(x_i)}{f'(x_i)} x_{1} = x_0 -\frac{f(x_0)}{f'(x_0)} = -0.45 -\frac{-0.45+ln(-0.45+2)}{1 + \frac{1}{-0.45+2}}

x₁ = -0.44286

error = |x₁-x₀| = |-0.44286 -(-0.45)| = 0.007139

itera = 2

x_{2} = -0.4428 -\frac{-0.4428 + ln(-0.45+2)}{1 + \frac{1}{-0.4428+2}}

x₁ = -0.44286

error = |x₁-x₀| = |-0.44285 -(-4.4286)| = 6.4394e-06

con lo que se cumple el valor de tolerancia y no se requiere otra iteración

la raiz se encuentra en x = -0.44286

Solución con algoritmo

xi
[-0.45       -0.4383     -0.4458     -0.441      -0.4441 
 -0.4421     -0.4434     -0.4425     -0.4431     -0.4427
 -0.4429     -0.4428     -0.4429     -0.4428     -0.4429]
errores
[ 1.1745e-02 -7.5489e-03  4.8454e-03 -3.1127e-03  1.9986e-03
 -1.2837e-03  8.2430e-04 -5.2939e-04  3.3996e-04 -2.1833e-04
  1.4021e-04 -9.0044e-05  5.7826e-05 -3.7136e-05  0.0000e+00]
['xi', 'xnuevo', 'tramo']
[[-4.5000e-01 -4.4286e-01  7.1392e-03]
 [-4.4286e-01 -4.4285e-01  6.4394e-06]]
raiz en:  -0.44285440100759543
con error de:  6.439362322474551e-06
>>> 

Instrucciones en Python

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# literal a sucesión en forma recursiva
def secuenciaL(n,x0):
    if n == 0:
        xn = x0
    if n>0:
        xn = np.log(1/(2+secuenciaL(n-1,x0)))
    return(xn)
x0 = -0.45
n = 15
xi = np.zeros(n,dtype=float)
xi[0] = x0
errado = np.zeros(n,dtype=float)
for i in range(1,n,1):
    xi[i] = secuenciaL(i,x0)
    errado[i-1] = xi[i] - xi[i-1]
   
np.set_printoptions(precision=4)
print('xi: ')
print(xi)
print('errado: ')
print(errado)

#Grafica literal a y b
plt.plot(xi)
plt.plot(xi,'o')
plt.xlabel('n')
plt.ylabel('xn')
plt.show()

# Método de Newton-Raphson
# Ejemplo 1 (Burden ejemplo 1 p.51/pdf.61)

import numpy as np

# INGRESO
fx  = lambda x: x+np.log(x+2)
dfx = lambda x: 1+ 1/(x+2)

x0 = -0.45
tolera = 0.0001

a = -0.5
b = -0.2
muestras = 21
# PROCEDIMIENTO
tabla = []
tramo = abs(2*tolera)
xi = x0
while (tramo>=tolera):
    xnuevo = xi - fx(xi)/dfx(xi)
    tramo  = abs(xnuevo-xi)
    tabla.append([xi,xnuevo,tramo])
    xi = xnuevo

# convierte la lista a un arreglo.
tabla = np.array(tabla)
n = len(tabla)

# para la gráfica
xj = np.linspace(a,b,muestras)
fj = fx(xj)

# SALIDA
print(['xi', 'xnuevo', 'tramo'])
np.set_printoptions(precision = 4)
print(tabla)
print('raiz en: ', xi)
print('con error de: ',tramo)

plt.plot(xj,fj)
plt.axhline(0, color='grey')
plt.xlabel('x')
plt.ylabel('f(x)')
plt.show()

litera d: tarea

Ejercicio: 1Eva_2021PAOI_T3 Interpolar, modelo de contagios 2020

literal a

Los datos de los pacientes casos graves entre las semanas 11 a la 20, que son el intervalo donde será válido el polinomio de interpolación son:

semana	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
casos graves	1503	3728	7154	6344	4417	3439	2791	2576	2290	2123

de los cuales solo se usarán los indicados en el literal a : 11,13,16,18,20.

xi0 = [    9,   10,   11,   12,   13,   14,
          15,   16,   17,   18,   19,   20,
          21,   22,   23,   24,   25,   26 ])
fi0 = [ 1435, 1645, 1503, 3728, 7154, 6344,
        4417, 3439, 2791, 2576, 2290, 2123,
        2023, 2067, 2163, 2120, 2125, 2224 ])
xi = [  11,   13,   16,   18,   20]
fi = [1503, 7154, 3439, 2576, 2123]

Se observa que los datos estan ordenados en forma ascendente respecto a la variable independiente, tambien se determina que no se encuentran equidistantes entre si (13-11=2, 16-13=3). Por lo que se descarta usar el método de diferencias finitas avanzadas.

Los métodos que se podrían usar con puntos no equidistantes en el eje semanas serían el método de diferencias divididas de Newton o el  método de Lagrange.

Seleccionando por ejemplo, Diferencias divididas de Newton, donde primero se realiza la tabla:

xi	fi	f[x1,x0]	f[x2,x1,x0]	f[x3,x2,x1,x0]	f[x4,x3,x2,x1,x0]
11	1503	=(7154-1503) /(13-11) = 2825.5	=(-1238.33-2835.5) /(16-11) = -812.76	=(161.36-(-812.76)) /(18-11) = 139.16	=(-15.73-139.16) /(20-11) = -17.21
13	7154	(3439-7154) /(16-13) = -1238.33	(-431.5-(-1238.33)) /(18-13) = 161.36	(51.25-161.36) /(20-13)= -15.73	—-
16	3439	(2576-3439) /(18-16) = -431.5	(-226.5-(-431.5)) /(20-16) = 51.25	—-
18	2576	(2123-2576) /(20-18) = -226.5	—-
20	2123	—-

con lo que se puede contruir el polinomio usando las diferencias divididas para el intervalo dado:

[2825.5    -812.76  139.16  -17.21]

p_4(x) = 1503 + 2825.5(x-11) - 812.76(x - 13)(x - 11) + 139.16(x - 16)(x - 13)(x - 11) - 17.21(x - 18)(x - 16) (x - 13) (x - 11)

Simplificando el algoritmo se tiene:

p_4(x) = - 1172995.28 + 298304.50 x - 27840.50x^2 + 1137.36x^3 - 17.21 x^4

---

literal b

El cálculo de los errores se puede realizar usando el polinomio de grado 4 encontrado, notando que los errores deberían ser cero para los puntos usados para el modelo del polinomio.

xi	fi	p4(x)	|error|
11	1503	1503	0
12	3728	6110.96	2382.96
13	7154	7154	0
14	6344	6293.18	50.81
15	4417	4776.52	359.52
16	3439	3439	0
17	2791	2702.53	88.46
18	2576	2576	0
19	2290	2655.22	365.22
20	2123	2123	0

---

literal c

Podría aplicarse uno de varios criterios, lo importante por lo limitado del tiempo en la evaluación son las conclusiones y recomendaciones expresadas en el literal e, basadas en lo realizado en los literales c y d. Teniendo como opciones:

– cambiar uno de los puntos selecionados, mateniendo así el grado del polinomio
– aumentar el número de puntos usados para armar el polinomio con grado mayor
– dividir el intervalo en uno o mas segmentos, con el correspondiente número de polinomios.

Se desarrolla la opción de cambiar uno de los puntos seleccionados, usando para esta ocasión como repaso la interpolación de Lagrange. Para los puntos se usa el punto con mayor error de la tabla del literal anterior y se elimina el punto penúltimo, es decir se usa la semana 12 en lugar de la semana 18 de la siguiente forma:

xi = [  11,   12,   13,   16,   20]
fi = [1503, 3728, 7154, 3439, 2123]

p_4(x) = 1503 \frac{(x-12)(x-13)(x-16)(x-20)}{(11-12)(11-13)(11-16)(11-20)} + 3728\frac{(x-11)(x-13)(x-16)(x-20)}{(12-11)(12-13)(12-16)(12-20)} + 7154\frac{(x-11)(x-12)(x-16)(x-20)}{(13-11)(13-12)(13-16)(13-20)} + 3439\frac{(x-11)(x-12)(x-13)(x-20)}{(16-11)(16-12)(16-13)(16-20)} + 2123\frac{(x-11)(x-12)(x-13)(x-16)}{(20-11)(20-12)(20-13)(20-16)}

Simplificando el polinomio:

p_4(x) = \frac{46927445}{21} - \frac{1655552687}{2520} x + \frac{715457663}{10080}x^2 - \frac{8393347}{2520} x^3 + \frac{577153}{10080} x^4

---

literal d

El cálculo de los errores se puede realizar usando el polinomio de grado 4 encontrado, notando que los errores deberían ser cero para los puntos usados para el modelo del polinomio.

xi	fi	p4(x)	error
11	1503	1503	0
12	3728	3728	0
13	7154	7154	0
14	6344	8974.01	2630.01
15	4417	7755.22	3338.22
16	3439	3439	0
17	2791	-2659.13	-5450.13
18	2576	-7849.45	-10425.45
19	2290	-8068.1	-10358.1
20	2123	2123	0

---

literal e

El cambio aplicado a los puntos usados en el modelo del polinomio disminuyó el error entre las semanas 11 a 13. Sin embargo la magnitud del error aumentó  para las semanas posteriores a la 13, es decir aumentó la distorsión de la estimación y se recomienda realizar otras pruebas para mejorar el modelo aplicando los otros criterios para determinar el que tenga mejor desempeño respecto a la medida de error.

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Intrucciones en Python

Literal a y b. Desarrollado a partir del algoritmo desarrollado en clases:

# Polinomio interpolación
# Diferencias Divididas de Newton
# Tarea: Verificar tamaño de vectores,
#        verificar puntos equidistantes en x
import numpy as np
import sympy as sym
import matplotlib.pyplot as plt

# INGRESO , Datos de prueba
xi0 = np.array([    9,   10,   11,   12,   13,   14,
                   15,   16,   17,   18,   19,   20,
                   21,   22,   23,   24,   25,   26 ])
fi0 = np.array([ 1435, 1645, 1503, 3728, 7154, 6344,
                 4417, 3439, 2791, 2576, 2290, 2123,
                 2023, 2067, 2163, 2120, 2125, 2224 ])

xi1 = np.array([   11,   12,   13,   14,   15,   16,
                   17,   18,   19,   20 ])
fi1 = np.array([ 1503, 3728, 7154, 6344, 4417, 3439,
                 2791, 2576, 2290, 2123 ])

xi = np.array([  11,   13,   16,   18,   20])
fi = np.array([1503, 7154, 3439, 2576, 2123])

# PROCEDIMIENTO

# Tabla de Diferencias Divididas Avanzadas
titulo = ['i   ','xi  ','fi  ']
n = len(xi)
ki = np.arange(0,n,1)
tabla = np.concatenate(([ki],[xi],[fi]),axis=0)
tabla = np.transpose(tabla)

# diferencias divididas vacia
dfinita = np.zeros(shape=(n,n),dtype=float)
tabla = np.concatenate((tabla,dfinita), axis=1)

# Calcula tabla, inicia en columna 3
[n,m] = np.shape(tabla)
diagonal = n-1
j = 3
while (j < m):
    # Añade título para cada columna
    titulo.append('F['+str(j-2)+']')

    # cada fila de columna
    i = 0
    paso = j-2 # inicia en 1
    while (i < diagonal):
        denominador = (xi[i+paso]-xi[i])
        numerador = tabla[i+1,j-1]-tabla[i,j-1]
        tabla[i,j] = numerador/denominador
        i = i+1
    diagonal = diagonal - 1
    j = j+1

# POLINOMIO con diferencias Divididas
# caso: puntos equidistantes en eje x
dDividida = tabla[0,3:]
n = len(dfinita)

# expresión del polinomio con Sympy
x = sym.Symbol('x')
polinomio = fi[0]
for j in range(1,n,1):
    factor = dDividida[j-1]
    termino = 1
    for k in range(0,j,1):
        termino = termino*(x-xi[k])
    polinomio = polinomio + termino*factor

# simplifica multiplicando entre (x-xi)
polisimple = polinomio.expand()

# polinomio para evaluacion numérica
px = sym.lambdify(x,polisimple)

# calcula errores en intervalo usado
pfi1 = px(xi1)
errado1 = np.abs(fi1-pfi1)

# Puntos para la gráfica
muestras = 101
a = np.min(xi)
b = np.max(xi)
pxi = np.linspace(a,b,muestras)
pfi = px(pxi)

# SALIDA
np.set_printoptions(precision = 4)
print('Tabla Diferencia Dividida')
print([titulo])
print(tabla)
print('dDividida: ')
print(dDividida)
print('polinomio: ')
print(polinomio)
print('polinomio simplificado: ' )
print(polisimple)
print('errores en intervalo:')
print(xi1)
print(errado1)

# Gráfica
plt.plot(xi0,fi0,'o', label = 'Puntos')
plt.plot(xi,fi,'ro', label = 'Puntos')
for i in range(0,n,1):
    etiqueta = '('+str(xi[i])+','+str(fi[i])+')'
    plt.annotate(etiqueta,(xi[i],fi[i]))
plt.plot(pxi,pfi, label = 'Polinomio')
plt.legend()
plt.xlabel('xi')
plt.ylabel('fi')
plt.title('Diferencias Divididas - Newton')
plt.grid()
plt.show()

---

Literal c y d. Se puede continuar con el algoritmo anterior. Como repaso se adjunta un método diferente al anterior.

# Interpolacion de Lagrange
# divisores L solo para mostrar valores
import numpy as np
import sympy as sym
import matplotlib.pyplot as plt

# INGRESO , Datos de prueba
xi0 = np.array([    9,   10,   11,   12,   13,   14,
                   15,   16,   17,   18,   19,   20,
                   21,   22,   23,   24,   25,   26 ])
fi0 = np.array([ 1435, 1645, 1503, 3728, 7154, 6344,
                 4417, 3439, 2791, 2576, 2290, 2123,
                 2023, 2067, 2163, 2120, 2125, 2224 ])

xi2 = np.array([   11,   12,   13,   14,   15,   16,
                   17,   18,   19,   20 ])
fi2 = np.array([ 1503, 3728, 7154, 6344, 4417, 3439,
                 2791, 2576, 2290, 2123 ])

xi = np.array([  11,   12,   13,   16,   20])
fi = np.array([1503, 3728, 7154, 3439, 2123])

# PROCEDIMIENTO
# Polinomio de Lagrange
n = len(xi)
x = sym.Symbol('x')
polinomio = 0
divisorL = np.zeros(n, dtype = float)
for i in range(0,n,1):
    
    # Termino de Lagrange
    numerador = 1
    denominador = 1
    for j  in range(0,n,1):
        if (j!=i):
            numerador = numerador*(x-xi[j])
            denominador = denominador*(xi[i]-xi[j])
    terminoLi = numerador/denominador

    polinomio = polinomio + terminoLi*fi[i]
    divisorL[i] = denominador

# simplifica el polinomio
polisimple = polinomio.expand()

# para evaluación numérica
px = sym.lambdify(x,polisimple)

# calcula errores en intervalo usado
pfi2 = px(xi2)
errado2 = np.abs(fi2-pfi2)

# Puntos para la gráfica
muestras = 101
a = np.min(xi)
b = np.max(xi)
pxi = np.linspace(a,b,muestras)
pfi = px(pxi)

# SALIDA
print('    valores de fi: ',fi)
print('divisores en L(i): ',divisorL)
print()
print('Polinomio de Lagrange, expresiones')
print(polinomio)
print()
print('Polinomio de Lagrange: ')
print(polisimple)
print('errores en intervalo:')
print(xi2)
print(errado2)

# Gráfica
plt.plot(xi0,fi0,'o', label = 'Puntos')
plt.plot(pxi,pfi, label = 'Polinomio')
plt.legend()
plt.xlabel('xi')
plt.ylabel('fi')
plt.title('Interpolación Lagrange')
plt.show()

Ejercicio: 1Eva_IIT2009_T1 Movimiento de partícula en plano

a. Planteamiento del problema

Las ecuaciones expresan las trayectorias de dos partículas,

x(t) = 3 \sin ^{3}(t)-1 y(t) = 4 \sin (t)\cos (t)

que para que se encuentren o choquen, sus coordenadas deberían ser iguales.

x(t) = y(t) 3 \sin ^{3}(t)-1 = 4 \sin (t)\cos (t)

Se reordena la igualdad, de tal manera que uno de los lados sea cero, de la forma f(t) = 0 que es usada en el algoritmo de búsqueda de raíces.

3 \sin ^{3}(t)-1 - 4 \sin (t)\cos (t) = 0 f(t) = 3 \sin ^{3}(t)-1 - 4 \sin (t)\cos (t)

---

b. Intervalo de búsqueda de raíz

Como la variable independiente es tiempo, el evento a buscar se suponte sucede en tiempos positivos t>=0, por lo que el valor inicial a la izquierda del intervalo será a=0

Para el caso de b, a la derecha, se usa lo indicado en el enunciado para la pregunta dell literal b), donde se indica t ∈ [0, π/2], por lo que b = π/2

[0, π/2]

verificando que exista cambio de signo entre f(a) y f(b)

f(0) = 3 \sin ^{3}(0)-1 - 4 \sin (0)\cos (0) = -1 f(\pi /2) = 3 \sin ^{3}(\pi /2)-1 - 4 \sin (\pi /2)\cos (\pi /2) = 3 (1)^3-1 - 4 (1)(0) = 2

con lo que se comprueba que al existir cambio de signo, debe existir una raíz en el intervalo.

---

c. Método de Falsa Posición

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Desarrollo analítico con lápiz y papel

se trata de mostrar los pasos en al menos tres iteraciones del método, usando las siguientes expresiones:

f(t) = 3 \sin ^{3}(t)-1 - 4 \sin (t)\cos (t) c = b - f(b) \frac{a-b}{f(a)-f(b)}

[0, π/2]

iteración 1

a = 0 , b = \pi/2

tomando los datos al validar los puntos extremos

f(0) = -1 f(\pi /2) = 2 c = \pi/2 - 2 \frac{0-\pi/2}{-1-2} = \pi/6 f(\pi/6) = 3 \sin ^{3}(\pi/6)-1 - 4 \sin (\pi/6)\cos (\pi/6) = -2.3570

el signo de f(c) es el mismo que f(a), se ajusta el lado izquierdo

tramo = |c-a| = |\pi /6 - 0| = \pi/6 a = c = \pi/6 , b = \pi/2

iteración 2

a = \pi/6 , b = \pi/2 f(\pi/6) = -2.3570 f(\pi /2) = 2 c = \pi/2 - 2 \frac{\pi/6-\pi/2}{-1-2} = 1.0901 f(1.0901) = 3 \sin ^{3}(1.0901)-1 - 4 \sin (1.0901)\cos (1.0901) = -0.5486

el signo de f(c) es el mismo que f(a), se ajusta el lado izquierdo

tramo = |c-a| = | 1.0901-\pi/6| = 1.0722 a = c = 1.0901 , b = \pi/2

iteración 3

a = 1.0901 , b = \pi/2 f(1.0901) = -0.5486 f(\pi /2) = 2 c = \pi/2 - 2 \frac{-0.5486-\pi/2}{-0.5486-2} = 1.19358 f(1.19358) = 3 \sin ^{3}(1.19358)-1 - 4 \sin (1.19358)\cos (1.19358) = 0.0409

el signo de f(c) es el mismo que f(b), se ajusta el lado derecho

tramo = |b-c| = | \pi/2- 1.19358| = 0.3772 a = 1.0901 , b = 1.19358

---

---

Algoritmo con Python

Los parámetros aplicados en el algoritmo son los desarrollados en el planteamiento del problema e intervalo de búsqueda, con lo que se obtiene los siguientes resultados:

 raiz: 1.1864949811467547
error: 9.919955449055884e-05

las instrucciones en python son:

# 1Eva_IIT2009_T1 Movimiento de partícula en plano
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

#INGRESO
xt = lambda t: 3*(np.sin(t)**3)-1
yt = lambda t: 4*np.sin(t)*np.cos(t)
fx = lambda t: 3*(np.sin(t)**3)-1 - 4*np.sin(t)*np.cos(t) 

a = 0
b = np.pi/2
tolera = 0.001

# intervalo para gráfica
La = a
Lb = b
muestras = 21

# PROCEDIMIENTO
# Posicion Falsa
tramo = abs(b-a)
fa = fx(a)
fb = fx(b)
while not(tramo<=tolera):
    c = b - fb*(a-b)/(fa-fb)
    fc = fx(c)
    cambio = np.sign(fa)*np.sign(fc)
    if cambio>0:
        # actualiza en izquierda
        tramo = abs(c-a)
        a = c
        b = b
        fa = fc
    else:
        # actualiza en derecha
        tramo = abs(b-c)
        a = a
        b = c
        fb = fc

# para grafica
ti = np.linspace(La,Lb,muestras)
xi = xt(ti)
yi = yt(ti)
fi = fx(ti)

# SALIDA
print(' raiz:', c)
print('error:', tramo)
plt.plot(ti,xi, label='x(t)')
plt.plot(ti,yi, label='y(t)')
plt.plot(ti,fi, label='f(t)')
plt.plot(c,fx(c),'ro')
plt.axhline(0, color='green')
plt.axvline(c, color='magenta')
plt.legend()
plt.xlabel('t')
plt.title('Método de Falsa Posición')
plt.show()

Ejercicio: 1Eva_IIT2010_T1 Aproximar con polinomio

Desarrollo Analítico

Ejemplo para Lápiz  y Papel

---

Tarea 01	Semana 01		Fecha: año/mes/dia
Apellidos		Nombres
Referencia:	1Eva_IIT2010_T1 Aproximar con polinomio

---

Opción 1

Para el ejemplo, supondremos que x0=0

El polinomio de Taylor requerido es de grado 2

P_{n}(x) = f(x_0)+\frac{f'(x_0)}{1!} (x-x_0) + + \frac{f''(x_0)}{2!}(x-x_0)^2 +

---

función f(x) y sus derivadas:

f(x) = e^x \cos (x) +1

---

f'(x) = e^x \cos (x) - e^x \sin(x) f'(x) = e^x (\cos (x) - \sin(x))

---

f''(x) = e^x( \cos (x) - \sin(x))+ + e^x (-\sin(x) - \cos(x)) f''(x) = -2 e^x \sin(x))

---

Punto x0 = 0 (ejemplo), dentro del intervalo.

Observación: escriba las expresiones, reemplazando los valores, asi si en la lección o examen no tuvo tiempo para usar la calculadora, se puede evaluar si realizaba las operaciones con el punto de referencia y expresiones correctas.

f(0) = e^0 \cos (0) +1 = 2 f'(0) = e^0(\cos (0) - \sin(0)) = 1 f''(0) = -2 e^0 \sin(0)) = 0

---

Sustitución en fórmula de polinomio:

p_2(x) = f(x_0) + \frac{f'(x_0)}{1!}(x-x_0) + \frac{f''(x_0)}{2!}(x-x_0)^2 P_{2}(x) = 2+\frac{1}{1} (x-0) + + \frac{0}{2}(x-0)^2 + P_{2}(x) = 2+ x

---

Tarea: realizar el ejercicio para x₀ = π/2, verificando que pase por los puntos requeridos. Respuesta usando el algoritmo de Taylor:

p(x) = -4.81047738096535*x**2 + 10.3020830193353*x – 3.31309698247881

---

Opción 2

El polinomio requerido tiene la forma:

p(x) = a + bx + cx^2

por lo que conocido los pares ordenados por donde debe pasar se puede plantear las ecuaciones y encontrar a,b,c.

f(0) = e^0 \cos (0) +1 = 2 f(\pi/2) = e^{\pi/2} \cos (\pi /2) +1 = 1(0)+1 =1 f(\pi) = e^{\pi} \cos (\pi) +1 = e^{\pi} +1

se encuentra que a = 2 cuando x = 0 y que reemplazando los valores de x =π/2 y x=π se tiene:

2 + (π/2) b + (π/2)2 c = 1
2 +    π  b +   (π)2 c = eπ +1

que se convierte en:

(π/2) b + (π/2)2 c = -1
   π  b +   (π)2 c = -(eπ +1)

al multiplicar la primera ecuacion por 2 y restando de la segunda

- π2/2 c = eπ -1
c = (-2/π2)(eπ -1)

y sustituir c en la segunda ecuación:

π b + (π)² (-2/π²)(e^π -1) = -(e^π +1)
π b = -(e^π +1) + 2(e^π -1) = -e^π -1 + 2e^π -2
b = (e^π -3)/π

El polinomio resultante es:

p(x) = 2 + \frac{e^{\pi}-3}{\pi}x + \frac{-1(e^{\pi}-1)}{\pi ^2}x^2

Probando respuesta con los valores en la función y polinomio usando python, se encuentra que el polinomio pasa por los puntos. Al observar la gráfica observa que se cumple lo requerido pero visualiza el error de aproximación usando el método de la opción 2.

---

Desarrollo con Python

Algoritmo desarrollado en clase, usado como taller, modificado para el problema planteado.

Observación: Se reordena el algoritmo para mantener ordenados y separados los bloques de ingreso, procedimiento y salida. Así los bloques pueden ser convertidos fácilmente a funciones algoritmicas def-return.

Observe que la variable n se interprete correctamente como «términos» o «grados» del polinomio de Taylor.

# Aproximación Polinomio de Taylor alrededor de x0
# f(x) en forma simbólica con sympy
import numpy as np
import sympy as sym
import matplotlib.pyplot as plt

# INGRESO --------------------
x = sym.Symbol('x')
fx = sym.exp(x)*sym.cos(x) + 1

x0 = 0
n  = 3 # grado de polinomio

# Intervalo para Gráfica
a = 0
b = np.pi
muestras = 21

# PROCEDIMIENTO  -------------
# construye polinomio Taylor
k = 0 # contador de términos
polinomio = 0
while (k <= n):
    derivada   = fx.diff(x,k)
    derivadax0 = derivada.subs(x,x0)
    divisor   = np.math.factorial(k)
    terminok  = (derivadax0/divisor)*(x-x0)**k
    polinomio = polinomio + terminok
    k = k + 1

# forma lambda para evaluación numérica
fxn = sym.lambdify(x,fx,'numpy')
pxn = sym.lambdify(x,polinomio,'numpy')

# evaluar en intervalo para gráfica
xi = np.linspace(a,b,muestras)
fxi = fxn(xi)
pxi = pxn(xi)

# SALIDA  --------------------
print('polinomio p(x)=')
print(polinomio)
print()
sym.pprint(polinomio)

# Gráfica
plt.plot(xi,fxi,label='f(x)')
plt.plot(xi,pxi,label='p(x)')
# franja de error
plt.fill_between(xi,pxi,fxi,color='yellow')
plt.xlabel('xi')
plt.axvline(x0,color='green', label='x0')
plt.axhline(0,color='grey')
plt.title('Polinomio Taylor: f(x) vs p(x)')
plt.legend()
plt.show()

---

Resultado del algoritmo

Revisar si el polinomio es concordante con lo realizado a lápiz y papel, de no ser así revisar el algoritmo o los pasos realizados en papel, deben ser iguales.
Comprobando que el algoritmo esté correcto y pueda ser usado en otros ejercicios.

 RESTART: D:\MATG1052Ejemplos\Taylot01Tarea01.py 
polinomio p(x)=
-x**3/3 + x + 2

   3        
  x         
- -- + x + 2
  3         

---

Resultados gráficos para x0=0

Continuar con el ejercicio con x0 = π y luego con el siguiente punto x0 = π/2.

Comparar resultados y presentar: Observaciones  y recomendaciones semejantes a las indicadas durante el desarrollo de la clase.

Ejercicio: 1Eva_IIT2019_T1 Ecuación Recursiva

la ecuación recursiva es:

x_n = g(x_{n-1}) = \sqrt{3 + x_{n-1}}

literal a y b

g(x) es creciente en todo el intervalo, con valor minimo en g(1) = 2, y máximo en g(3) =2.449. Por observación de la gráfica, la pendiente g(x) es menor que la recta identidad en todo el intervalo

Verifique la cota de g'(x)

g(x) = \sqrt{3 + x} =(3+x)^{1/2} g'(x) =\frac{1}{2}(3+x)^{-1/2} g'(x) =\frac{1}{2\sqrt{3+x}}

Tarea: verificar que g'(x) es menor que 1 en todo el intervalo.

Literal c

Usando el algoritmo del punto fijo, iniciando con el punto x₀=2
y tolerancia de 10^-4, se tiene que:

Iteración 1: x₀=2

g(x_0) = \sqrt{3 + 2} = 2.2361

error = |2.2361 – 2| = 0.2361

Iteración 2: x₁ = 2.2361

g(x_1) = \sqrt{3 + 2.2361} = 2.2882

error = |2.2882 – 2.2361| = 0.0522

Iteración 3: x₂ = 2.2882

g(x_2) = \sqrt{3 + 2.2882} = 2.2996

error = |2.2996 – 2.28821| = 0.0114

Iteración 4: x₃ = 2.2996

g(x_3) = \sqrt{3 + 2.2996} = 2.3021

error = |2.3021- 2.2996| = 0.0025

Iteración 5: x₄ = 2.3021

g(x_4) = \sqrt{3 + 2.3021} = 2.3026

error = |2.3021- 2.2996| = 5.3672e-04

con lo que determina que el error en la 5ta iteración es de 5.3672e-04 y el error se reduce en casi 1/4 entre iteraciones. El punto fijo converge a 2.3028

Se muestra como referencia la tabla resumen.

[[ x ,   g(x), 	 tramo  ] 
 [1.      2.      1.    ]
 [2.      2.2361  0.2361]
 [2.2361  2.2882  0.0522]
 [2.2882  2.2996  0.0114]
 [2.2996  2.3021  0.0025]
 [2.3021  2.3026  5.3672e-04]
 [2.3026  2.3027  1.1654e-04]
 [2.3027  2.3028  2.5305e-05]
raiz:  2.3027686193257098

con el siguiente comportamiento de la funcion:

literal e

Realizando el mismo ejercicio para el método de la bisección, se requiere cambiar a la forma f(x)=0

x = \sqrt{3 + x} 0 = \sqrt{3 + x} -x f(x) = \sqrt{3 + x} -x

tomando como intervalo el mismo que el inicio del problema [1,3], al realizar las operaciones se tiene que:

a = 1 ; f(a) = 1
b = 3 ; f(b) = -0.551
c = (a+b)/2 = (1+3)/2 = 2
f(c) = f(2) = (3 + 2)^(.5) +2 = 0.236
Siendo f(c) positivo, y tamaño de paso 2, se reduce a 1

a = 2 ; f(a) = 0.236
b = 3 ; f(b) = -0.551
c = (a+b)/2 = (2+3)/2 = 2.5
f(c) = f(2.5) = (3 + 2.5)^(.5) +2.5 = -0.155
Siendo fc(c) negativo y tamaño de paso 1, se reduce a .5

a = 2
b = 2.5
...

Siguiendo las operaciones se obtiene la siguiente tabla:

[ i, a,   c,   b,    f(a),  f(c),  f(b), paso]
 1 1.000 2.000 3.000 1.000  0.236 -0.551 2.000 
 2 2.000 2.500 3.000 0.236 -0.155 -0.551 1.000 
 3 2.000 2.250 2.500 0.236  0.041 -0.155 0.500 
 4 2.250 2.375 2.500 0.041 -0.057 -0.155 0.250 
 5 2.250 2.312 2.375 0.041 -0.008 -0.057 0.125 
 6 2.250 2.281 2.312 0.041  0.017 -0.008 0.062 
 7 2.281 2.297 2.312 0.017  0.005 -0.008 0.031 
 8 2.297 2.305 2.312 0.005 -0.001 -0.008 0.016 
 9 2.297 2.301 2.305 0.005  0.002 -0.001 0.008 
10 2.301 2.303 2.305 0.002  0.000 -0.001 0.004 
11 2.303 2.304 2.305 0.000 -0.001 -0.001 0.002 
12 2.303 2.303 2.304 0.000 -0.000 -0.001 0.001 
13 2.303 2.303 2.303 0.000 -0.000 -0.000 0.000 
14 2.303 2.303 2.303 0.000 -0.000 -0.000 0.000 
15 2.303 2.303 2.303 0.000 -0.000 -0.000 0.000 
16 2.303 2.303 2.303 0.000  0.000 -0.000 0.000 
raiz:  2.302764892578125

Donde se observa que para la misma tolerancia de 10^-4, se incrementan las iteraciones a 16. Mientra que con punto fijo eran solo 8.

Nota: En la evaluación solo se requeria calcular hasta la 5ta iteración. Lo presentado es para fines didácticos

Ejercicio: 1Eva_IIT2019_T3 Circuito eléctrico

Las ecuaciones del problema son:

55 I_1 - 25 I_4 =-200 -37 I_3 - 4 I_4 =-250 -25 I_1 - 4 I_3 +29 I_4 =100 I_2 =-10

Planteo del problema en la forma A.X=B

A = np.array([[ 55, 0,   0,-25],
              [  0, 0, -37, -4],
              [-25, 0,  -4, 29],
              [  0, 1,   0,  0]],dtype=float)

B = np.array([[-200],
              [-250],
              [ 100],
              [ -10]],dtype=float)

El ejercicio se puede simplificar con una matriz de 3×3 dado que una de las corrientes I₂ es conocida con valor -10, queda resolver el problema para
[I₁ ,I₃ ,I₄ ]

A = np.array([[ 55,   0,-25],
              [  0, -37, -4],
              [-25,  -4, 29]],dtype=float)

B = np.array([[-200],
              [-250],
              [ 100]],dtype=float)

conformando la matriz aumentada

[[  55.    0.  -25. -200.]
 [   0.  -37.   -4. -250.]
 [ -25.   -4.   29.  100.]]

que se pivotea por filas para acercar a matriz diagonal dominante:

[[  55.    0.  -25. -200.]
 [   0.  -37.   -4. -250.]
 [ -25.   -4.   29.  100.]]

Literal a

Para métodos directos se aplica el método de eliminación hacia adelante.

Usando el primer elemento en la diagonal se convierten en ceros los números debajo de la posición primera de la diagonal

[[  55.    0.  -25.         -200.      ]
 [   0.  -37.   -4.         -250.      ]
 [   0.   -4.   17.636363      9.090909]]

luego se continúa con la segunda columna:

[[  55.    0.  -25.         -200.      ]
 [   0.  -37.   -4.         -250.      ]
 [   0.    0.   18.068796     36.117936]]

y para el método de Gauss se emplea sustitución hacia atras
se determina el valor de I₄

18.068796 I_4 = 36.11793612 I_4 =\frac{36.11793612}{18.068796}= 1.99891216 -37 I_3 -4 I_4 = -250 -37 I_3= -250 + 4 I_4 I_3=\frac{-250 + 4 I_4}{-37} I_3=\frac{-250 + 4 (1.99891216)}{-37} = 6.54065815

y planteando se obtiene el último valor

55 I_1 +25 I_4 = -200 55 I_1 = -200 -25 I_4 I_1 = \frac{-200 -25 I_4}{55} I_1 = \frac{-200 -25(1.99891216)}{55} = -2.7277672

con lo que el vector solución es:

[[-2.7277672]
 [ 6.54065815]
 [ 1.99891216]]

sin embargo, para verificar la respuesta se aplica A.X=B

verificar que A.X = B, obteniendo nuevamente el vector B.
[[-200.]
 [-250.]
 [ 100.]]

---

literal b

La norma de la matriz infinito se determina como:

||x|| = max\Big[ |x_i| \Big]

considere que en el problema el término en A de magnitud mayor es 55.
El vector suma de filas es:

[[| 55|+|  0|+|-25|],    [[80],
 [|  0|+|-37|+| -4|],  =  [41],
 [[-25|+| -4|+| 29|]]     [58]]

por lo que la norma ∞ ejemplo ||A||∞ 
es el maximo de suma de filas: 80

para revisar la estabilidad de la solución, se observa el número de condición

>>> np.linalg.cond(A)
4.997509004325602

En éste caso no está muy alejado de 1. De resultar alejado del valor ideal de uno,  la solución se considera poco estable. Pequeños cambios en la entrada del sistema generan grandes cambios en la salida.

Tarea: Matriz de transición de Jacobi

---

Literal c

En el método de Gauss-Seidel acorde a lo indicado, se inicia con el vector cero. Como no se indica el valor de tolerancia para el error, se considera tolera = 0.0001

las ecuaciones para el método son:

I_1 =\frac{-200 + 25 I_4}{55} I_3 = \frac{-250+ 4 I_4}{-37} I_4 =\frac{100 +25 I_1 + 4 I_3}{29}

Como I₂ es constante, no se usa en las iteraciones

I_2 =-10

teniendo como resultados de las iteraciones:

iteración:  1
 Xnuevo:      [-3.63636364  6.75675676  1.99891216]
 diferencia:  [3.63636364   6.75675676  1.99891216]
 error:  6.756756756756757
 iteración:  2
 Xnuevo:      [-2.7277672   6.54065815  1.99891216]
 diferencia:  [0.90859643   0.21609861  0.        ]
 error:  0.9085964348406557
 iteración:  3
 Xnuevo:      [-2.7277672   6.54065815  1.99891216]
 diferencia:  [0. 0. 0.]
 error:  0.0

con lo que el vector resultante es:

 Método de Gauss-Seidel
respuesta de A.X=B : 
[[-2.7277672 ]
 [ 6.54065815]
 [ 1.99891216]]

que para verificar, se realiza la operación A.X
observando que el resultado es igual a B

[[-200.00002751]
 [-249.9999956 ]
 [ 100.0000125 ]]

---

---

Solución alterna

---

Usando la matriz de 4×4, los resultados son iguales para las corrientes
[I₁ ,I₂ , I₃ ,I₄ ]. Realizando la matriz aumentada,

[[  55.    0.    0.  -25. -200.]
 [   0.    0.  -37.   -4. -250.]
 [ -25.    0.   -4.   29.  100.]
 [   0.    1.    0.    0.  -10.]]

que se pivotea por filas para acercar a matriz diagonal dominante:

[[  55.    0.    0.  -25. -200.]
 [   0.    1.    0.    0.  -10.]
 [   0.    0.  -37.   -4. -250.]
 [ -25.    0.   -4.   29.  100.]]

Literal a

Para métodos directos se aplica el método de eliminación hacia adelante.

Usando el primer elemento  en la diagonal.

[[  55.     0.     0.   -25.         -200.        ]
 [   0.     1.     0.     0.          -10.        ]
 [   0.     0.   -37.    -4.         -250.        ]
 [   0.     0.    -4.    17.63636364    9.09090909]]

para el segundo no es necesario, por debajo se encuentran valores cero.
Por lo que se pasa al tercer elemento de la diagonal

[[  55.     0.     0.     -25.         -200.        ]
 [   0.     1.     0.      0.          -10.        ]
 [   0.     0.   -37.     -4.         -250.        ]
 [   0.     0.     0.     18.06879607    36.11793612]]

y para el método de Gauss se emplea sustitución hacia atras.
para x₄:

18.06879607 x_4 = 36.11793612 x_4 = 1.99891216

para x₃:

-37 x_3 -4 x_3 = -250 37 x_3 = 250-4 x_4 = 250-4(1.99891216) x_3 = 6.54065815

como ejercicio, continuar con x₁, dado que x₂=-10

55 x_1 + 25 x_4 = -200

El vector solución obtenido es:

el vector solución X es:
[[ -2.7277672 ]
 [-10.        ]
 [  6.54065815]
 [  1.99891216]]

sin embargo, para verificar la respuesta se aplica A.X=B.

[[-200.]
 [-250.]
 [ 100.]
 [ -10.]]

Se revisa el número de condición de la matriz:

>>> np.linalg.cond(A)
70.21827416891405

Y para éste caso, el número de condición se encuentra alejado del valor 1, contrario a la respuesta del la primera forma de solución con la matriz 3×3. De resultar alejado del valor ideal de uno, la solución se considera poco estable. Pequeños cambios en la entrada del sistema generan grandes cambios en la salida.

---

Algoritmo en Python

Presentado por partes para revisión:

# Método de Gauss,
# Recibe las matrices A,B
# presenta solucion X que cumple: A.X=B
import numpy as np

# INGRESO
A = np.array([[ 55,   0,-25],
              [  0, -37, -4],
              [-25,  -4, 29]],dtype=float)

B = np.array([[-200],
              [-250],
              [ 100]],dtype=float)

# PROCEDIMIENTO
# Matriz Aumentada
casicero = 1e-15 # 0
AB = np.concatenate((A,B),axis=1)
print('aumentada: ')
print(AB)

# pivotea por fila AB
tamano = np.shape(AB)
n = tamano[0]
m = tamano[1]

for i in range(0,n-1,1):
    # columna desde diagonal i en adelante
    columna = np.abs(AB[i:,i])
    dondemax = np.argmax(columna)
    # revisa dondemax no está en la diagonal
    if (dondemax != 0):
        # intercambia fila
        temporal = np.copy(AB[i,:])
        AB[i,:] = AB[dondemax+i,:]
        AB[dondemax+i,:] = temporal
print('pivoteada: ')
print(AB)

# Gauss elimina hacia adelante
# tarea: verificar términos cero
print('Elimina hacia adelante')
for i in range(0,n,1):
    pivote = AB[i,i]
    adelante = i+1
    print('i: ', i)
    for k in range(adelante,n,1):
        print('k: ',k)
        if (np.abs(pivote)>=casicero):
            factor = AB[k,i]/pivote
            AB[k,:] = AB[k,:] - factor*AB[i,:]
        print(AB)
print('Elimina hacia adelante')
print(AB)

# Sustitución hacia atras
X = np.zeros(n,dtype=float) 
ultfila = n-1
ultcolumna = m-1
for i in range(ultfila,0-1,-1):
    suma = 0
    for j in range(i+1,ultcolumna,1):
        suma = suma + AB[i,j]*X[j]
    X[i] = (AB[i,ultcolumna]-suma)/AB[i,i]
X = np.transpose([X])

# Verifica resultado
verifica = np.dot(A,X)

# SALIDA
print('por sustitución hacia atras')
print('el vector solución X es:')
print(X)

print('verificar que A.X = B')
print(verifica)

# -------------------------------------------------
# # Algoritmo Gauss-Seidel,
# matrices, métodos iterativos
# Referencia: Chapra 11.2, p.310, pdf.334
#      Rodriguez 5.2 p.162
# ingresar iteramax si requiere más iteraciones

import numpy as np

def gauss_seidel(A,B,tolera,X,iteramax=100):
    tamano = np.shape(A)
    n = tamano[0]
    m = tamano[1]
    diferencia = np.ones(n, dtype=float)
    errado = np.max(diferencia)
    
    itera = 0
    while not(errado<=tolera or itera>iteramax):
        for i in range(0,n,1):
            nuevo = B[i]
            for j in range(0,m,1):
                if (i!=j): # excepto diagonal de A
                    nuevo = nuevo-A[i,j]*X[j]
            nuevo = nuevo/A[i,i]
            diferencia[i] = np.abs(nuevo-X[i])
            X[i] = nuevo
        errado = np.max(diferencia)
        print(' iteración: ', itera)
        print(' Xnuevo: ', X)
        print(' diferencia: ', diferencia)
        print(' error: ' ,errado)
        itera = itera + 1
    # Vector en columna
    X = np.transpose([X])
    # No converge
    if (itera>iteramax):
        X=0
    return(X)

# Programa de prueba #######
tolera = 0.0001

# PROCEDIMIENTO
# usando la pivoteada por filas
n = len(B)
Xgs = np.zeros(n, dtype=float)
respuesta = gauss_seidel(AB[:,:n],AB[:,n],tolera,Xgs)
verificags = np.dot(A,respuesta)

# SALIDA
print(' Método de Gauss-Seidel')
print('respuesta de A.X=B : ')
print(respuesta)
print('verificar A.X: ')
print(verificags)

Ejercicio: 1Eva_IIT2019_T2 Proceso Termodinámico

la ecuación para el problema se describe como:

f(x)=e^{-0.5x}

ecuación que se usa para describir los siguientes puntos:

x	0	1	2	3	4
f(x)	1	0.60653065	0.36787944	0.22313016	0.13533528

Como el polinomio es de grado 2, se utilizan tres puntos. Para cubrir el intervalo los puntos seleccionados incluyen los extremos y el punto medio.

literal a

Con los puntos seleccionados se escriben las ecuaciones del polinomio:

p_2(x)= a_0 x^2 + a_1 x + a_2

usando los valores de la tabla:

p_2(0)=a_0 (0)^2 + a_1 (0) + a_2 = 1 p_2(2)=a_0 (2)^2 + a_1 (2) + a_2 = 0.36787944 p_2(4)=a_0 (4)^2 + a_1 (4) + a_2 = 0.13533528

con la que se escribe la matriz Vandermonde con la forma A.x=B

A= [[ 0.,  0.,  1.,]
    [ 4.,  2.,  1.,]
    [16.,  4.,  1.,]]

B= [[1.        ],
    [0.36787944],
    [0.13533528]]) 

matriz aumentada

[[ 0.,  0.,  1.,  1.        ]
 [ 4.,  2.,  1.,  0.36787944]
 [16.,  4.,  1.,  0.13533528]]

matriz pivoteada

[[16.,  4.,  1.,  0.13533528]
 [ 4.,  2.,  1.,  0.36787944]
 [ 0.,  0.,  1.,  1.        ]]

Resolviendo por algún método directo, la solución proporciona los coeficientes del polinomio

Tarea: escribir la solución del método directo, semejante a la presentada en el tema 3

[[ 0.04994705]
 [-0.41595438]
 [ 1.        ]]

con lo que el polinomio de interpolación es:

p_2(x) = 0.04994705 x^2 - 0.41595438 x + 1.0

en el enunciado se requiere la evaluación en x=2.4

p_2(2.4) = 0.04994705 (2.4)^2 - 0.41595438 (2.4) + 1.0 f(2.4)=e^{-0.5(2.4)} error = |f(2.4)-p_2(2.4)|

Evaluando p(2.4):  0.2894044975129779
Error en 2.4:      0.011789714399224216
Error relativo:    0.039143230291095066

La diferencia entre la función y el polinomio de interpolación se puede observar en la gráfica:

---

literal b

Tarea: Encontrar la cota de error con f(1.7)

---

Algoritmo en Python

Presentado por secciones, semejante a lo desarrollado en clases

# Interpolación por polinomio
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# INGRESO, Datos de prueba
fx = lambda x: np.exp(-0.5*x)

xi = np.array([0,2,4])

# determina vector
n = len(xi)
fi = np.zeros(n,dtype=float)
for i in range(0,n,1):
    fi[i]= fx(xi[i])

# PROCEDIMIENTO
# Arreglos numpy 
xi = np.array(xi)
fi = np.array(fi)
n = len(xi)

# Vector B en columna
B = np.array(fi)
B = fi[:,np.newaxis]

# Matriz Vandermonde D
D = np.zeros(shape=(n,n),dtype =float)
for f in range(0,n,1):
    for c in range(0,n,1):
        potencia = (n-1)-c
        D[f,c] = xi[f]**potencia

# Resolver matriz aumentada
coeficiente =  np.linalg.solve(D,B)

# Polinomio en forma simbólica
import sympy as sym
x = sym.Symbol('x')
polinomio = 0
for i in range(0,n,1):
    potencia = (n-1)-i
    termino = coeficiente[i,0]*((x**potencia))
    polinomio = polinomio + termino

# Convierte polinomio a funcion 
# para evaluación más rápida
px = sym.lambdify(x,polinomio)

# Para graficar el polinomio
k = 100
inicio = np.min(xi)
fin = np.max(xi)
puntosx = np.linspace(inicio,fin,k)
puntosy = px(puntosx)

puntosf = fx(puntosx)

# Puntos evaluados
x1 = 2.4
px1 = px(x1)
fx1 = fx(x1)
errorx1 = np.abs(px1-fx1)
errorx1rel = errorx1/fx1

x2 = 1.7
px2 = px(x1)
fx2 = fx(x1)
errorx2 = np.abs(px1-fx1)
errorx2rel = errorx1/fx1
    
# SALIDA
print('Matriz Vandermonde: ')
print(D)
print('los coeficientes del polinomio: ')
print(coeficiente)
print('Polinomio de interpolación: ')
print(polinomio)
print()
print('Evaluando en X1: ',x1)
print('Evaluando p(x1): ',px1)
print('Error en x1:     ',errorx1)
print(' Error relativo: ', errorx1rel)
print()
print('Evaluando en X2: ',x2)
print('Evaluando p(x2): ',px2)
print('Error en x2:     ',errorx2)
print(' Error relativo: ', errorx2rel)

# Grafica
plt.plot(xi,fi,'o',label='muestras' )
plt.plot(puntosx,puntosy,label='p(x)')
plt.plot(puntosx,puntosf,label='f(x)')
plt.xlabel('x')
plt.legend()
plt.show()