2019_IITS14- Integración

1. Lectura previa

http://blog.espol.edu.ec/matg1013/9-3-edp-hiperbolicas/

http://blog.espol.edu.ec/matg1013/7-1-regla-del-trapecio/

http://blog.espol.edu.ec/matg1013/7-2-regla-de-simpson-1-3/

http://blog.espol.edu.ec/matg1013/7-3-regla-de-simpson-3-8/

2. Ejercicios en clase Paralelos 3, 4 y 7

http://blog.espol.edu.ec/matg1013/2eva_iit2014_t3-edp-hiperbolica-presion-en-tubo-musical/

http://blog.espol.edu.ec/matg1013/2eva_it2019_t1-esfuerzo-en-pulso-cardiaco/

http://blog.espol.edu.ec/matg1013/s2eva_it2019_t1-esfuerzo-en-pulso-cardiaco/

3. Tarea

2Eva_IT2012_T1_MN Longitud de teleférico

http://blog.espol.edu.ec/matg1013/2eva_it2012_t1_mn-longitud-de-teleferico/

 

1Eva_IIT2019_T1 Ecuación Recursiva

1ra Evaluación II Término 2019-2020. 26/Noviembre/2019. MATG1013

Tema 1. (30 puntos). Considere la sucesión

\Big( x_n \Big)_{n=0}^{+ \infty}

cuya ecuación recursiva es:

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

para n  ∈ Ν

a) ¿Se puede afirmar que ∀x ∈ [1,3], g(x) ∈ [1,3]?

b) Pruebe que g es una función contractiva en el intervalo [1,3] y estime el valor de la constante de Lipschitz (cota de la derivada de g)

c) Realice 5 iteraciones partiendo del dato inicial x0 =2, y determine el orden de convergencia.

d) Encuentre el valor teórico de x* al cual converge la sucesión y estime el error absolito en la iteración 5.

e) Realice 5 iteraciones con el método de bisección en el intervalo [1,3] para aproximar el punto fijo de la función g(x).

Rúbrica: literal a (3 puntos), literal b (3 puntos), literal c (10 puntos), literal d (4 puntos), literal e (10 puntos)


Referencia: Burden 9Ed. Definición 10.5 p633, Theorem 2.4 P62;
Contracción https://es.wikipedia.org/wiki/Contracci%C3%B3n_(espacio_m%C3%A9trico).
Función lipschitziana https://es.wikipedia.org/wiki/Funci%C3%B3n_lipschitziana

 

1Eva_IIT2019_T2 Proceso Termodinámico

1ra Evaluación II Término 2019-2020. 26/Noviembre/2019. MATG1013

Tema 2. (20 puntos).  Para simular la disminución de la temperatura en un proceso termodinámico,
un algoritmo evolutivo necesita usar un polinomio para aproximar en el intervalo [0,4] la función f con regla de correspondencia

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

con constante k = 0.5

Para construir el mencionado polinomio, considere la tabla:

x 0 1 2 3 4
f(x) f(0) f(1) f(2) f(3) f(4)

a) Aplique interpolación polinomial y aproxime el valor de f(2.4) usando un polinomio de grado 2.

b) Encuentre una cota superior para el error de interpolación en la aproximación de f(1.7)}

Rúbrica: literal a (15 puntos), literal b (5 puntos)

s1Eva_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

s1Eva_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)

s1Eva_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

Presntado 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()

1Eva_IIT2019_T3 Circuito eléctrico

1ra Evaluación II Término 2019-2020. 26/Noviembre/2019. MATG1013

Tema 3. (30 puntos) El sistema de ecuaciones que sigue se generó por medio de aplicar la ley de malla de corriente al circuito de la figura.

55 I1 – 25 I4 = -200
-37 I3 – 4 I4 = -250
-25 I1 – 4 I3 + 29 I4 = 100

a) Use el método de eliminación de Gauss para calcular I1, I3, I4, I1 observando que
I2 = -10

b) Encuentre la norma infinita de la matriz de transición T en el método de Jacobi y comente.

c) Con el método de Gauss-Seidel realice tres iteraciones comenzando con el vector cero. Además en la tercera iteración, encuentre una cota para el error relativo.

Rúbrica: literal a (12 puntos), literal b (6 puntos), literal c (12 puntos)

1Eva_IIT2019_T4 Concentración de químico

1ra Evaluación II Término 2019-2020. 26/Noviembre/2019. MATG1013

Tema 4. (20 puntos) La siguiente ecuación permite calcular la concentración de un químico en un reactor, donde se tiene una mezcla completa.

C = C_{ent} ( 1 - e^{-0.04t})+C_{0} e^{-0.03t}
https://es.wikipedia.org/wiki/Reactor_qu%C3%ADmico

Si la concentración inicial es C0 = 4 y la concentración de entrada es Cent = 10, use el método de Newton-Raphson con t0 = 0, para aproximar el tiempo requerido para que el valor de C sea 93% de Cent.

Encuentre un intervalo en donde la convergencia está garantizada.

Rúbrica: intervalo (5 puntos), iteraciones (10 puntos), convergencia (5 puntos)

s1Eva_IIT2019_T4 Concentración de químico

formula a usar:

C = C_{ent} ( 1 - e^{-0.04t})+C_{0} e^{-0.03t}

Se sustituyen los valores dados con:
C0 = 4, Cent = 10, C = 0.93 Cent.

0.93(10) = 10 ( 1 - e^{-0.04t}) + 4 e^{-0.03t}

igualando a cero para forma estandarizada del algoritmo,

10( 1 - e^{-0.04t}) + 4 e^{-0.03t} - 9.3 = 0 0.7 - 10 e^{-0.04t} + 4 e^{-0.03t} = 0

se usas las funciones f(t) y f'(t) para el método de Newton-Raphson,

f(t) = 0.7 - 10 e^{-0.04t} + 4 e^{-0.03t} f'(t) = - 10(-0.04) e^{-0.04t} + 4(-0.03) e^{-0.03t} f'(t) = 0.4 e^{-0.04t} - 0.12 e^{-0.03t}

con lo que se pueden realizar los cálculos de forma iterativa.

t_{i+1} = t_i -\frac{f(t_i)}{f'(t_i)}

De no disponer de la gráfica de f(t), y se desconoce el valor inicial para t0 se usa 0. Como no se indica la tolerancia, se estima en 10-4

Iteración 1

t0 = 0

f(0) = 0.7 - 10 e^{-0.04(0)} + 4 e^{-0.03(0)} = 5.3 f'(0) = 0.4 e^{-0.04(0)} - 0.12 e^{-0.03(0)} = -0.28 t_{1} = 0 -\frac{5.3}{-0.28} = 18.92 error = |18.92-0| = 18.92

Iteración 2

f(18.92) = 0.7 - 10 e^{-0.04(18.92)} + 4 e^{-0.03(18.92)} = -1.72308 f'(18.92) = 0.4 e^{-0.04(18.92)} - 0.12 e^{-0.03(18.92)} = 0.119593 t_{2} = 18.92 -\frac{-1.723087}{0.119593} = 33.3365 error = |33.3365 - 18.92| = 14.4079

Iteración 3

f(33.3365) = 0.7 - 10 e^{-0.04(33.3365)} + 4 e^{-0.03(33.3365)} = -0.4642 f'(33.3365) = 0.4 e^{-0.04(33.3365)} - 0.12 e^{-0.03(33.3365)} = 0.06128 t_{3} = 33.3365 -\frac{-0.46427}{-5.8013} = 40.912 error = |40.912 - 33.3365| = 7.5755

Observando que los errores disminuyen entre cada iteración, se encuentra que el método converge.

y se forma la siguiente tabla:

['xi' ,  'xnuevo', 'error']
[ 0.      18.9286  18.9286]
[18.9286  33.3365  14.4079]
[33.3365  40.912    7.5755]
[40.912   42.654     1.742]
[42.654   42.7316   0.0776]
[4.2732e+01 4.2732e+01 1.4632e-04]
raiz en:  42.731721341402796

Observando la gráfica de la función puede observar el resultado:


Algoritmo en Python

# 1Eva_IIT2019_T4
# Método de Newton-Raphson

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# INGRESO
fx = lambda t: 0.7-10*np.exp(-0.04*t)+4*np.exp(-0.03*t)
dfx = lambda t:0.40*np.exp(-0.04*t)-0.12*np.exp(-0.03*t)

x0 = 0
tolera = 0.001

a = 0
b = 60
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

tabla = np.array(tabla)
n=len(tabla)

# para la gráfica
xk = np.linspace(a,b,muestras)
fk = fx(xk)

# SALIDA
print(['xi', 'xnuevo', 'error'])
np.set_printoptions(precision = 4)
for i in range(0,n,1):
    print(tabla[i])
print('raiz en: ', xi)

# grafica
plt.plot(xk,fk)
plt.axhline(0, color='black')
plt.xlabel('t')
plt.ylabel('f(t)')
plt.show()

3Eva_IT2019_T3 Difusión en sólidos

3ra Evaluación I Término 2019-2020. 10/Septiembre/2019. MATG1013

Tema 3. (30 Puntos).  En el año 1855, los experimentos de Adolf Fick tratan sobre la medición de concentraciones y sus flujos, también ahora aplicados a la difusión en sólidos que en ese tiempo no se consideraba posible.

La gráfica muestra los cambios en el tiempo de concentración Φ de un gas en un sólido (estado no-estacionario) para un sólido semi infinito (eje y).

La segunda ley de Fick predice la forma en que la difusión causa que la concentración cambie con el tiempo. Se trata de una ecuación diferencial parcial que en una dimensión se escribe:

\frac{\partial \phi}{\partial t} = D\frac{\partial ^2 \phi}{\partial x^2}

Φ(0, t) = 5; Φ(L, t) = 0; Φ(x,0) = 0; D = 0.16; L =0.1

a. Plantee las ecuaciones, la malla, desarrolle y obtenga el modelo Φ(xi,tj)
b. Aproxime la solución con Δx = 0.02, Δt = Δx/100. Realice al menos tres iteraciones en el eje tiempo.
c. Estime el error de Φ(xi,tj)

Rúbrica: Construir la malla (5 puntos), plantear la ecuación en el nodo i,j (5 puntos), modelo de ecuación (5 puntos), literal b (10 puntos), literal c (5 puntos).

Referencia: https://es.wikipedia.org/wiki/Leyes_de_Fick;
Difusión 2ª Ley de Fick|7/22|UPV (2011) https://www.youtube.com/watch?v=HHBvZDNvTic