s3Eva2023PAOII_T2 perfil de un peón

Ejercicio: 3Eva2023PAOII_T2 perfil de un peón

literal a y b

Para el planteamiento de los polinomios, es necesario observar la gráfica proporcionada para el ejercicio y la correspondiente tabla de datos:

x_i	0	3	5	9.985	14.97	17.97	40.04	43.29	51.6456	60
y_i	15	15	13.25	14.155	9.676	9.676	4.64	4.64	8.976	0

Para el intervalo [0,3], El perfil se describe con una constante, por lo tanto:

p_1(x) = 15

Para el intervalo [3,5] el perfil se describe como una recta con pendiente negativa.

p_2(x) =a_0 + a_1 x

a_1 = \frac{ 13.25-15}{5-3} = -0.875

p_2(5) = 13.25 =a_0 -0.875 (5)

a_0 = 13.25 +0.875 (5) = 17.625

p_2(x) = -0.875 x + 17.625

Para el con los puntos xi = [5, 9.985, 14.97] el perfil se describe con tres puntos, por lo que el polinomio de interpolación puede ser de grado 2. Usando el método de Lagrange:

p_3(x) =\frac{(x-9.985)( x-14.97)}{(5-9.985)( 5-14.97)} 13.25 +

+\frac{(x-5)( x-14.97)}{(9.985-5)( 9.985-14.97)} 14.155 +

+\frac{(x-5)( x-9.985)}{(14.97-5)( 14.97-9.985)} 9.676 +

simplificando la expresión con Python y Sympy:

P_3(x) = -0.1083 x^2 + 1.8047 x + 6.9341

literal c

El error para los polinomios acorde a la gráfica proporcionada es cero para los tramos [0,3] y [3,5], dado que el primero es una constante y el segundo es una recta con pendiente.

El error de mayor magnitud se presenta con la interpolación entre el círculo de la ecuación del tema 1 y el polinomio de grado 2 en el intervalo [5, 14.97]. Tomando como ejemplo el punto intermedio del tramo derecho en:

x_k = \frac{14.97-5}{4} + 9.985= 12.4775

p_3(12.4775) = -0.1083(12.4775)^2 + 1.8047(12.4775) + 6.9341

= 12.5889

f(12.4775) = \sqrt{6.7^2-(12.4775-8.6)^2} + 7.6 = 13.0639

errado = |p_3(12.4775) - f(12.4775)| = 0.4750

literal d

Se puede mejorar la aproximación del polinomio aumentando el grado y número de puntos a usar dentro del intervalo. El resultado se debería acercar mas al perfil superior del círculo de referencia del tema 1.

Resultados para el intervalo [5, 14.97]

    valores de fi:  [13.25   14.1552  9.6768]
divisores en L(i):  [ 49.70045  -24.850225  49.70045 ]

Polinomio de Lagrange, expresiones
0.266597183727713*(x - 14.97)*(x - 9.985) 
- 0.569620596996607*(x - 14.97)*(x - 5.0) 
+ 0.194702462452553*(x - 9.985)*(x - 5.0)

Polinomio de Lagrange: 
-0.108320950816341*x**2 + 1.80477420224566*x + 6.93415275918024

Algoritmo en Python

# 3Eva_2023PAOII_T2 perfil de un peón
import sympy as sym
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# INGRESO
xj=[ 0, 3, 5.  , 9.985 , 14.97 , 17.97, 40.04, 43.29, 51.6449, 60]
yj=[15,15,13.25,14.1552, 9.6768,  9.67,  4.64,  4.64,  8.9768, 0.]


#  Datos de prueba
ia = 2
ib = 4+1
xi = np.array(xj[ia:ib])
fi = np.array(yj[ia:ib])

g = lambda x: np.sqrt(6.7**2-(x-8.6)**2) + 7.6
muestras = 21

# 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)

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

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