s3Eva_IIT2019_T1 Lanzamiento de Cohete

A partir de la tabla del enunciado  se realiza la tabla de diferencias finitas.

i ti fi Δfi Δ2fi Δ3fi Δ4fi Δ5fi
1 0 0 32 -6 0 0 0
2 25 32 26 -6 0 0
3 50 58 20 -6 0
4 75 78 14 -6
5 100 92 8
6 125 100

Observando que a partir de la tercera diferencia finita  los valores son cero, por lo que se usa la fórmula general de diferencias finitas divididas hasta el polinomio de grado 2.

p_2 (x) = f_0 + \frac{\Delta f_0}{h} (x - x_0) + + \frac{\Delta^2 f_0}{2!h^2} (x - x_0)(x - x_1)

al sustituir los valores conocidos, se convierte en,

p_2 (t) =0 + \frac{32}{25} (t -0) + + \frac{-6}{2(25)^2} (t -0)(t - 25) =\frac{32}{25}t + \frac{-3}{(25)^2} (t^2 - 25t) =\frac{32}{25}t + \frac{-3}{(25)^2} t^2 - \frac{-3}{(25)^2}25t =\frac{7}{5}t - \frac{3}{625} t^2 y(t) =p_2 (t) =1.4 t - 0.0048 t^2

Con lo que se puede obtener la velocidad:

y'(t) = 1.4 - 0.0096 t

y luego la aceleración:

y'(t) = - 0.0096

Si el error es el próximo término del polinomio Δ3fi  entonces se estima en cero.

Tarea:  Evaluar la velocidad y aceleración para cada punto de la tabla

La gráfica del polinomio encontrado es:

Algoritmo en Python

El algoritmo realizado en Python entrega los siguientes resultados:

[[  i,  ti,  fi, df1, df2, df3, df4, df5,  df6]]
[[  1.   0.   0.  32.  -6.   0.   0.   0.   0.]
 [  2.  25.  32.  26.  -6.   0.   0.   0.   0.]
 [  3.  50.  58.  20.  -6.   0.   0.   0.   0.]
 [  4.  75.  78.  14.  -6.   0.   0.   0.   0.]
 [  5. 100.  92.   8.   0.   0.   0.   0.   0.]
 [  6. 125. 100.   0.   0.   0.   0.   0.   0.]]
polinomio:
-0.0048*t**2 + 1.4*t

las instrucciones en Python son:

# Diferencias finitas avanzadas para polinomio interpolación
# http://blog.espol.edu.ec/matg1013/5-1-1-diferencias-finitas-avanzadas-polinomio/
# Referencia Rodriguez 6.6.4 Pdf.221
# Tarea: Verificar tamaño de vectores
#        considerar puntos no equidistantes en eje t
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import sympy as sym

# INGRESO , Datos de prueba
ti = np.array([0.0, 25, 50, 75, 100, 125])
fi = np.array([0.0, 32, 58, 78, 92, 100])

# PROCEDIMIENTO
# Tabla de diferencias finitas
titulo = ['i','ti','fi']
n = len(ti)
# cambia a forma de columnas
i = np.arange(1,n+1,1)
i = np.transpose([i])
ti = np.transpose([ti])
fi = np.transpose([fi])
# Añade matriz de diferencias
dfinita = np.zeros(shape=(n,n),dtype=float)
tabla = np.concatenate((i,ti,fi,dfinita), axis=1)
# Sobre matriz de diferencias, por columnas
[n,m] = np.shape(tabla)
c = 3
diagonal = n-1
while (c<m):
    # Aumenta el título para cada columna
    titulo.append('df'+str(c-2))
    # calcula cada diferencia por fila
    f = 0
    while (f < diagonal):
        tabla[f,c] = tabla[f+1,c-1]-tabla[f,c-1]
        f = f+1
    
    diagonal = diagonal - 1
    c = c+1

# POLINOMIO con diferencias finitas
# caso: puntos en eje t equidistantes
dfinita = tabla[:,3:]
n = len(dfinita)
t = sym.Symbol('t')
h = ti[1,0]-ti[0,0]
polinomio = fi[0,0]
for c in range(1,n,1):
    denominador = np.math.factorial(c)*(h**c)
    factor = dfinita[0,c-1]/denominador
    termino=1
    for f  in range(0,c,1):
        termino = termino*(t-ti[f])
    polinomio = polinomio + termino*factor
# simplifica polinomio, multiplica los (t-ti)
polinomio = polinomio.expand()
# para evaluacion numérica
pt = sym.lambdify(t,polinomio)

# Puntos para la gráfica
a = np.min(ti)
b = np.max(ti)
muestras = 101
ti_p = np.linspace(a,b,muestras)
fi_p = pt(ti_p)

# SALIDA
print([titulo])
print(tabla)
print('polinomio:')
print(polinomio)

# Gráfica
plt.title('Interpolación polinómica')
plt.plot(ti,fi,'o', label = 'Puntos')
plt.plot(ti_p,fi_p, label = 'Polinomio')
plt.legend()
plt.show()