Universidad Politécnica de Madrid Ingeniería de Minas Fórmulas Fórmulas de de Derivación Derivación Numérica: Numérica: Aproximación Aproximación de de la la derivada derivada primera primera de de una una función función Prof. Alfredo López Benito Prof. Carlos Conde Lázaro Prof. Arturo Hidalgo López Departamento de Matemática Aplicada y Métodos Informáticos Abril, 2007 0 Universidad Politécnica de Madrid Ingeniería de Minas OBJETIVOS OBJETIVOS 1º. Conocer el concepto de fórmula de derivación numérica 2º. Obtener y aplicar fórmulas de derivación numérica de tipo interpolatorio para aproximar primeras derivadas de funciones. 3º. Analizar y obtener cotas del error de aproximación de derivadas primeras mediante fórmulas de tipo interpolatorio. 4º. Conocer las principales propiedades de las fórmulas de derivación numérica de tipo interpolatorio para aproximar derivadas primeras de funciones. 5º. Obtener y aplicar fórmulas de tipo interpolatorio para aproximar derivadas de orden superior al primero, y conocer sus propiedades principales. Departamento de Matemática Aplicada y Métodos Informáticos 1 Universidad Politécnica de Madrid Ingeniería de Minas Fórmulas Fórmulas de de derivación derivación numérica: numérica: definición. definición. Definición Se denomina FÓRMULA DE DERIVACIÓN NUMÉRICA para aproximar f’(x*) sobre el soporte {x0, x1, ..., xn} a toda expresión de la forma: n f '(x*) ≈ ∑ ci .f (xi ) i= 0 A los números ci se les denomina COEFICIENTES (o PESOS) de la fórmula. Si ci = Li’(x*), siendo Li(x) (i = 0, 1, ..., n) los (n+1)polinomios de base de Lagrange sobre el soporte {x0, x1, ..., xn} a la fórmula se la denomina fórmula de derivación numérica de tipo interpolatorio (en el sentido de Lagrange). Departamento de Matemática Aplicada y Métodos Informáticos 2 Universidad Politécnica de Madrid Ingeniería de Minas Fórmulas Fórmulas de de derivación derivación numérica: numérica: error. error. Definición Siendo f(x) una función derivable en x* y dada la fórmula de derivación numérica para aproximar f’(x*) sobre el n soporte {x0, x1, ..., xn}: f '(x*) ≈ f '* = ∑ ci .f (xi ) i= 0 se denomina ERROR DE TRUNCAMIENTO de la fórmula para la función f(x) el en punto x*, al valor: Rf(x*) = f’(x*) – f’* NOTA: Para cada función f, Rf : I → R x → R f (x ) Se buscará acotar Rf(x) en el intervalo I. Departamento de Matemática Aplicada y Métodos Informáticos 3 Universidad Politécnica de Madrid Ingeniería de Minas Fórmulas Fórmulas de de derivación derivación numérica numérica de de tipo tipo interpolatorio interpolatorio Sea n ≥ 1. Siendo pn(x) el polinomio interpolador de Lagrange de una función f(x) sobre el soporte {x0, x1, …, xn} se tiene que: n f(x) = pn(x) + εf(x) = ∑ f(xi )·Li (x) + ε f (x) f '(x*) = i =0 n l l f(x )·L (x*) + ε ∑ i i f (x*) i =0 ci Rf(x*) A las fórmulas así obtenidas se las de derivación numérica de tipo interpolatorio construidas sobre el soporte {x0, x1, …, xn} Departamento de Matemática Aplicada y Métodos Informáticos 4 Universidad Politécnica de Madrid Ingeniería de Minas Fórmulas Fórmulas de de tipo tipo interpolatorio: interpolatorio: obtención. obtención. OBSERVACIÓN En otros términos, las fórmulas de derivación numérica de tipo interpolatorio que aproximan el valor de f’(x*), se obtienen derivando el polinomio interpolador de la función f(x) y particularizando la expresión de la derivada en x*. Para ello, puede utilizarse cualquiera de las expresiones que proporcionan el polinomio interpolador (fórmula de Lagrange, fórmula de Newton, fórmulas en diferencias finitas, ...) Departamento de Matemática Aplicada y Métodos Informáticos 5 Universidad Politécnica de Madrid Ingeniería de Minas Fórmulas Fórmulas de de tipo tipo interpolatorio: interpolatorio: ejemplo ejemplo 1. 1. Ejemplo: Soporte: {x0 , x1} Polinomio interpolador de f(x) en este soporte: f (x) ≈ p1 (x) = f (x 0 ) + f [ x 0 ,x1 ]·(x − x 0 ) Aproximación de f’(x*) mediante una fórmula de tipo interpolatorio con el soporte {x0 , x1} : f(x1 ) − f (x 0 ) f '(x) ≈ p1 '(x) = f [ x 0 , x1 ] = x1 − x 0 En un punto x*: f (x1 ) − f (x 0 ) f '(x*) ≈ p1 '(x *) = x1 − x 0 x0 x* Departamento de Matemática Aplicada y Métodos Informáticos x1 6 Universidad Politécnica de Madrid Ingeniería de Minas Fórmulas Fórmulas de de tipo tipo interpolatorio: interpolatorio: ejemplo ejemplo 1. 1. f (x1 ) − f (x 0 ) −1 1 f '(x*) ≈ p1 '(x *) = = ·f (x 0 ) + ·f (x1 ) x1 − x 0 H H c0 p1’(x*) = tg (β) β f’(x*) = tg (α) α x0 c1 x1 x* H h0 h1 Departamento de Matemática Aplicada y Métodos Informáticos 7 Universidad Politécnica de Madrid Ingeniería de Minas Fórmulas Fórmulas de de tipo tipo interpolatorio: interpolatorio: ejemplo ejemplo 22 a) Obtener una fórmula de tipo interpolatorio que aproxime f’(x*) sobre el soporte {x0=x*-2·h, x1=x*-h, x2=x*} b) Aplicar la fórmula a la aproximación de la primera derivada de la función e-x en el punto x* =0 y con pasos h = 10-1, 10-2, ……, 10-10 Solución: (x − x * + h)·(x − x*) L0 (x) = 2h2 (x − x * +2h)·(x − x*) L1 (x) = − h2 1 L '0 (x*) = 2h 2 L '1 (x*) = − h Departamento de Matemática Aplicada y Métodos Informáticos 8 Universidad Politécnica de Madrid Ingeniería de Minas Fórmulas Fórmulas de de tipo tipo interpolatorio: interpolatorio: ejemplo ejemplo 22 (x − x * + h)·(x − x*) L0 (x) = 2h2 (x − x * +2h)·(x − x*) L1 (x) = − h2 (x − x * +2h)·(x − x * + h) L2 (x) = 2h2 1 L '0 (x*) = 2h 2 L '1 (x*) = − h 3 L '2 (x*) = 2h 1 f '(x*) ≈ ( f(x * −2 h) − 4·f(x * −h) + 3·f(x*) ) 2h ¡APLIQUÉMOSLA ! Departamento de Matemática Aplicada y Métodos Informáticos 9 Universidad Politécnica de Madrid Ingeniería de Minas Ejemplo Ejemplo f '(x*) ≈ 1 ( f(x * −2 h) − 4·f(x * −h) + 3·f(x*) ) 2h x* = 0 h f = x Æ e-x f’(0) =-1 Valor aproximado de f’(0) 0.1 -0.9964045700 0.01 -0.9999664000 10-3 -0.9999995000 10-4 -1.0000000000 10-9 -1.0000000000 9·10-10 1·10-10 -1.1111111111 0.0000000000 Disminuir h por debajo de un cierto umbral empeora el resultado Departamento de Matemática Aplicada y Métodos Informáticos 10 Universidad Politécnica de Madrid Ingeniería de Minas El El error error en en las las fórmulas fórmulas de de tipo tipo interpolatorio interpolatorio ∀x ∈ ( x0 , xn ) f (n +1 ( ξ(x) ) n ∃ξ = ξ(x) / f(x) − pn (x) = ·∏ ( x − xi ) (n + 1 ) ! i =0 1 n ⎡ (n + 2 ⎤ Rf (x*) = f ( ξ(x*))·ξ '(x*)·∏ (x * − xi ) ⎥ + ⎢ (n + 1 ) ! ⎣ i =0 ⎦ ⎡ ⎛ n ⎞⎤ n 1 ⎢ f (n +1 ( ξ(x*))· ⎜ ⎟⎥ + − (x * x ) ∏ ∑ i ⎢ ⎜ ⎟⎟ ⎥ (n + 1 ) ! j =0 ⎜ i =0 ⎢⎣ ⎝ i≠ j ⎠ ⎥⎦ Departamento de Matemática Aplicada y Métodos Informáticos 11 Universidad Politécnica de Madrid Ingeniería de Minas Uso Uso de de desarrollos desarrollos en en serie serie de de Taylor Taylor x* x0 x1 h0 xn h = sup(h0, h1) = sup(|x*-x0|, |x*-xn| ) xi = x* + θi·h (i = 0, ..., n) θi ∈ [ −1,1] h1 Si f∈Cn+1((a, b)): θij ·h j ( j θin+1·hn+1 (n+1 f (xi ) = f (x * +θi ·h) = f (x*) + θi ·h·f '(x*) + ∑ ·f (x*) + ·f (x * +δ i ·h) j! (n + 1)! j= 2 n ⎛ n ⎞ ⎛ n ⎞ f '(x*) ≈ ∑ ci ·f (xi ) = f (x*)·⎜ ∑ ci ⎟ + h·f '(x *)·⎜ ∑ ciθi ⎟ + i= 0 ⎝ i= 0 ⎠ ⎝ i= 0 ⎠ n ⎛ (j hj ⎛ n hn+1 n j ⎞⎞ + ∑ ⎜ f (x*)· ·⎜ ∑ ci ·θi ⎟ ⎟ + ·∑ ( ci ·θin+1·f (n+1 (x * +δ i ·h) ) j! ⎝ i=0 j= 2 ⎝ ⎠ ⎠ (n + 1)! i=0 n Departamento de Matemática Aplicada y Métodos Informáticos 12 Universidad Politécnica de Madrid Ingeniería de Minas Uso Uso de de desarrollos desarrollos en en serie serie de de Taylor Taylor ⎛ n ⎞ ⎛ n ⎞ f '(x*) ≈ ∑ ci ·f (xi ) = f (x*)·⎜ ∑ ci ⎟ + h·f '(x *)·⎜ ∑ ciθi ⎟ + i= 0 ⎝ i= 0 ⎠ ⎝ i= 0 ⎠ n ⎛ (j hj ⎛ n hn+1 n j ⎞⎞ + ∑ ⎜ f (x*)· ·⎜ ∑ ci ·θi ⎟ ⎟ + ·∑ ( ci ·θin+1·f (n+1 (x * +δ i ·h) ) j! ⎝ i=0 j= 2 ⎝ ⎠ ⎠ (n + 1)! i=0 n Si ci = Li’(x*) ...... Propiedad 1 Propiedad 2 n ∑c i= 0 i =0 n ∑ ci ·θi = i= 0 n Propiedad 3 ∑ ci ·θij = 0 (Ver la demostración en presentación nº 16) 1 (Ver la demostración en presentación nº 17) h (j = 2, ..., n) (Ver presentación nº 17) i= 0 Departamento de Matemática Aplicada y Métodos Informáticos 13 Universidad Politécnica de Madrid Ingeniería de Minas Uso Uso de de desarrollos desarrollos en en serie serie de de Taylor Taylor hn+1 n f '(x*) ≈ ∑ ci ·f (xi ) = f '(x*) + ·∑ ( ci ·θni +1·f (n+1(x * +δi ·h) ) (n + 1)! i=0 i= 0 n Si ci = Li’(x*) y se denota por hi = θi·h = xi – x*: n hn f '(x*) ≈ ∑ ci ·f (xi ) = f '(x*) + ·∑ ( ci ·θni ·hi ·f (n+1(x * +δi ·h) ) (n + 1) ! i=0 i= 0 n n αi ξi n h f '(x*) ≈ ∑ ci ·f (xi ) = f '(x *) + ·∑ ( αi ·f (n+1(ξi ) ) (n + 1)! i=0 i= 0 n n hn R f ( x *) = ·∑ ( αi ·f (n+1 (ξi ) ) (n + 1)! i= 0 ( n hn R f ( x *) ≤ ·∑ αi · f (n+1(ξi ) (n + 1)! i= 0 Departamento de Matemática Aplicada y Métodos Informáticos ) 14 Universidad Politécnica de Madrid Ingeniería de Minas Uso Uso de de desarrollos desarrollos en en serie serie de de Taylor Taylor ( n hn R f ( x *) ≤ ·∑ αi · f (n+1(ξi ) (n + 1)! i= 0 ) Lema Si g∈C((a,b)), dados (n+1) coeficientes no negativos y no todos nulos {γ0,γ1, ...,γn} y (n+1) puntos {ξ0,ξ1, ..., ξn} de (a,b), existe algún punto ξ∈(a, b) tal que: n n γ i ·g(ξi ) = γ ·g(ξ) γi donde: γ = ∑ ∑ i= 0 i= 0 (Ver demostración en los apuntes) Luego: n R f ( x *) ≤ ∑( α ) i= 0 i (n + 1)! ·hn · f (n+1(ξi ) = β·hn · f (n+1 (ξi ) β Departamento de Matemática Aplicada y Métodos Informáticos 15 Universidad Politécnica de Madrid Ingeniería de Minas Uso Uso de de desarrollos desarrollos en en serie serie de de Taylor Taylor (Demostración de las propiedades usadas en la presentación nº 13) Propiedad 1 Si ci = Li’(x*): n ∑c i= 0 i =0 Demostración: Interpolando la función f(x) = 1 (polinomio de grado 0 que se interpolará sin error sea cual sea el valor de n) se tiene 1 = L0(x) + L1(x) + …….+Ln(x) 1= n ∑ L (x) i= 0 i Derivando la identidad anterior y particularizándola en x = x* se tiene demostrada esta propiedad Departamento de Matemática Aplicada y Métodos Informáticos 16 Universidad Politécnica de Madrid Ingeniería de Minas Uso Uso de de desarrollos desarrollos en en serie serie de de Taylor Taylor (Demostración de las propiedades usadas en la presentación nº 13) Propiedad 2 n Si ci = Li’(x*): ∑ ci ·θi = 1 h i= 0 Demostración: Interpolando la función f(x) = x (polinomio de grado 1 que se interpolará sin error sea cual sea el valor de n ≥1) se tiene x = x = L0(x)·x0 + L1(x)·x1 + …….+Ln(x)·xn n ∑ L (x)·x i i= 0 i Derivando la identidad anterior en x* resultará que: 1= n ∑ c·x i= 0 i i = n ∑ c·(x * +θ h) = i= 0 i i n Se anula por Propiedad 1 n x *·∑ ci + h·∑ c· i θi i= 0 i= 0 de donde se tiene la igualdad que se quería demostrar Departamento de Matemática Aplicada y Métodos Informáticos 17 Universidad Politécnica de Madrid Ingeniería de Minas Uso Uso de de desarrollos desarrollos en en serie serie de de Taylor Taylor (Demostración de las propiedades usadas en la presentación nº 13) Propiedad 3 Si ci = Li’(x*) y j < n: n ∑ c ·θ Demostración: i= 0 i j i =0 Interpolando la función f(x) = (x – x*)j (polinomio de grado j que se interpolará sin error con los (n+1) puntos de soporte) se tiene (x-x*)j = L0(x)·(x0–x*)j + L1(x)·(x1–x*)j + …….+Ln(x)·(xn–x*)j ( x − x *) j n = h j ∑ Li (x)·θij i= 0 Derivando la identidad anterior y particularizando en x* resultará que: n j 0 = h j ∑ c· θ i i i= 0 de donde se tiene la igualdad que se quería demostrar Departamento de Matemática Aplicada y Métodos Informáticos 18 Universidad Politécnica de Madrid Ingeniería de Minas EJEMPLO EJEMPLO H Si f∈C2((a, b)): x* x0 h0 x1 h1 f ( x *) ≈ f (x1 ) − f (x 0 ) f (x1 ) − f (x 0 ) = x1 − x 0 H Sean θ0 y θ1 tales que: x0 – x* = θ0·h h= sup(h0, h1) x1 – x* = θ1·h Se verifica que: H = x1 – x0 = (x1 - x*) - (x0 - x*) = θ1·h – θ0·h = (θ1 – θ0)·h 2 2 θ ·h y: 1 · f (x1 ) = f (x * +θ1·h) = f (x*) + θ1·h·f '(x*) + 1 ·f '(x * +δ1·h) 2 H 2 −1 θ0 ·h2 · f (x 0 ) = f (x * +θ0 ·h) = f (x*) + θ0 ·h·f '(x*) + ·f '(x * +δ 0 ·h) H 2 f (x1 ) − f (x 0 ) f(x*) ≈ = H ( θ1 − θ0 )·h·f '(x*) H h2 + ·( θ12 ·f "(x * +δ1·h) − θ02 ·f "(x * +δ 0 ·h) ) 2·H Departamento de Matemática Aplicada y Métodos Informáticos 19 Universidad Politécnica de Madrid Ingeniería de Minas EJEMPLO EJEMPLO (cont.) (cont.) 1 f(x*) ≈ ( θ1 − θ0 )·h·f '(x*) H H = γ·h x0 f(x*) ≈ f '(x*) + h ·( θ12 ·f "( x * +δ1·h) − θ02 ·f "(x * +δ 0 ·h) ) 2·γ x1 x* h0 h2 + ·( θ12 ·f "(x * +δ1·h) − θ02 ·f "(x * +δ 0 ·h) ) 2·H h1 Error de orden h h= sup(h0, h1) Casos particulares: x* = x0 h = H; γ = 1; θ0 = 0; θ1 = 1; x* = x1 h = H; γ = 1; θ0 = -1; θ1 = 0; h R f ( x*) = ·f "(ζ 0 ) 2 h R f ( x *) = − ·f "(ζ 1 ) 2 Departamento de Matemática Aplicada y Métodos Informáticos 0(h) 0(h) 20 Universidad Politécnica de Madrid Ingeniería de Minas EJEMPLO EJEMPLO (cont.) (cont.) Casos particulares (cont.): x* = (x0+x1)/2 H = 2·h; γ = 2; θ0 = - ½; θ1 = ½ ; R f ( x*) = h⎛1 1 ⎞ ·⎜ f "(ζ 1 ) − f "(ζ 0 ) ⎟ 4⎝4 4 ⎠ Pero …. En este caso, si f ∈C3((x0, x1)): 1 · H 1 − · H h2 h3 f (x1 ) = f (x * +h) = f (x*) + h·f '(x*) + ·f "(x *) + ·f '''(ξ1 ) 2 6 2 h h3 f (x 0 ) = f ( x * −h) = f (x*) − h·f '(x*) + ·f "(x *) − ·f '''(ξ 0 ) 2 6 2 h f ( x * +h) − f (x * −h) = f '(x *) + ·( f '''(ξ1 ) + f '''(ξ 0 ) ) 6 2·h h2 h2 R f ( x*) = − ·( 2·f "'(ξ) ) = − ·f "'(ξ) 6 3 Departamento de Matemática Aplicada y Métodos Informáticos 21 Universidad Politécnica de Madrid Ingeniería de Minas Fórmulas Fórmulas de de tipo tipo interpolatorio: interpolatorio: orden orden de de exactitud. exactitud. Definición Se dice que la fórmula de derivación numérica: n f '(x*) ≈ f '* = ∑ ci .f (xi ) i= 0 es exacta para la función f(x) en el punto x* cuando Rf(x*) =0 Definición Se dice que la fórmula de derivación numérica: n f '(x*) ≈ f '* = ∑ ci .f (xi ) i= 0 es exacta de orden k cuando es exacta para cualquier polinomio de grado menor o igual que k y en cualquier punto x* de la recta real. Departamento de Matemática Aplicada y Métodos Informáticos 22 Universidad Politécnica de Madrid Ingeniería de Minas Fórmulas Fórmulas de de tipo tipo interpolatorio: interpolatorio: orden orden de de exactitud. exactitud. EJEMPLO: La fórmula de derivación numérica de tipo interpolatorio construida sobre el soporte {x0 , x1}: f ( x *) ≈ f (x1 ) − f ( x 0 ) x1 − x 0 tiene un error de truncatura verificando: |Rf(x*)| < M·H donde: M = sup ( f "(x) ) x 0 < x < x1 Si f(x) es un polinomio de grado < 1, se verifica que M = 0. En consecuencia, la fórmula anterior es exacta de orden 1. Departamento de Matemática Aplicada y Métodos Informáticos 23 Universidad Politécnica de Madrid Ingeniería de Minas Fórmulas Fórmulas de de tipo tipo interpolatorio: interpolatorio: orden orden de de exactitud. exactitud. Teorema Las condición necesaria y suficiente para que una fórmula de derivación numérica construida sobre un soporte de (n+1) puntos {x0, x1, ..., xn} sea exacta de orden n es que sea una fórmula de tipo interpolatorio. Demostración: n a) Demostremos que si f '(x*) ≈ ∑ ci .f (xi ) es de tipo interpolatorio i= 0 entonces la fórmula es exacta de orden n. Si f(x) es cualquier polinomio de grado < n y denotamos por pn(x) a su polinomio interpolador de Lagrange sobre el soporte {x0, x1, ..., xn} se verifica para cualquier punto x*: n f(x) = pn(x) = ∑ f (xi )·Li (x) i= 0 n n i= 0 i= 0 f '(x*) = ∑ f (xi )·Li '(x*) = ∑ ci .f (xi ) Departamento de Matemática Aplicada y Métodos Informáticos 24 Universidad Politécnica de Madrid Ingeniería de Minas Fórmulas Fórmulas de de tipo tipo interpolatorio: interpolatorio: orden orden de de exactitud. exactitud. b) Demostremos que si f '(x*) ≈ ∑ c .f (x ) es exacta de orden n, entonces n i= 0 i i es de tipo interpolatorio Si es exacta de orden n, para cualquier polinomio de grado < n y en cualquier x* es exacta. En particular lo será para cada uno de los polinomios de base de Lagrange Lj(x) (j = 0, 1, ....n) n L j '(x*) = ∑ ci .L j (xi ) (j = 0, 1, ..., n) i= 0 Recordando que Lj(xi) = δi,j se tiene que: n L j '(x*) = ∑ ci .δi, j = c j (j = 0, 1, ..., n) i= 0 Departamento de Matemática Aplicada y Métodos Informáticos c.q.d. 25 Universidad Politécnica de Madrid Ingeniería de Minas Fórmulas Fórmulas de de tipo tipo interpolatorio: interpolatorio: Propiedad Propiedad Propiedad En toda fórmula de derivación numérica construida sobre el soporte de (n+1) puntos {x0, x1, ..., xn} y que sea de tipo n interpolatorio f '(x*) ≈ ∑ ci .f (xi ) se satisface que: i= 0 n ∑c i= 0 Demostración: n ∑ L (x) = 1 ∀x : i= 0 n i ∑ L '(x*) = 0 i= 0 i i =0 ⎛ n ⎞ L (x) ⎜ ∑ i ⎟' = 0 ⎝ i= 0 ⎠ n ∑c i= 0 i n ∑ L '(x) = 0 i= 0 i =0 Departamento de Matemática Aplicada y Métodos Informáticos c.q.d. 26 Universidad Politécnica de Madrid Ingeniería de Minas Fórmulas Fórmulas de de tipo tipo interpolatorio: interpolatorio: Ejercicios Ejercicios Ejercicios propuestos: 1º) Considérese la fórmula de derivación numérica de tipo interpolatorio: n f '(x*) ≈ ∑ ci .f (xi ) i= 0 y sea m un entero tal que 0 < m < n. Demuéstrese que entonces: n ∑ c ·x i= 0 i m i = m·( x ) * m −1 Departamento de Matemática Aplicada y Métodos Informáticos 27 Universidad Politécnica de Madrid Ingeniería de Minas Fórmulas Fórmulas de de tipo tipo interpolatorio: interpolatorio: Ejercicios Ejercicios 2º) Demuéstrese que para toda función f∈C1((x0,x1)) siempre existe algún punto x* ∈(x0 , x1) para el que es exacta la fórmula de derivación numérica de tipo interpolatorio construida sobre el soporte {x0, x1}: f '(x*) ≈ L0 '(x*)·f (x 0 ) + L1 '(x*)·f(x1 ) Obsérvese que según lo anterior, para cualquier valor no negativo del entero k existe algún punto x* para el que la fórmula de derivación numérica de tipo interpolatorio construida sobre el soporte {x0, x1} proporciona el valor exacto de la derivada de cualquier polinomio de grado k en x*. ¿Quiere ello decir que la fórmula de derivación considerada es de orden k para cualquier valor no negativo del entero k? ¿ Se contradice el teorema sobre el orden de exactitud de las fórmulas de derivación numérica de tipo interpolatorio? Departamento de Matemática Aplicada y Métodos Informáticos 28 Universidad Politécnica de Madrid Ingeniería de Minas Fórmulas Fórmulas de de tipo tipo interpolatorio: interpolatorio: fórmulas fórmulas usuales usuales a) Soporte con 1 punto {x0} f (x) ≈ p0 (x ) = f (x 0 ) f '(x*) ≈ p0 '(x *) = 0 b) Soporte con 2 puntos {x0, x1} f (x) ≈ p1 (x) = f (x 0 ) + f [ x 0 ,x1 ]·( x − x 0 ) f '(x *) ≈ p0 '(x *) = f [ x 0 , x1 ] H x0 = f (x1 ) − f(x 0 ) H x1 f (x 0 + H) − f (x 0 ) (Fórmula en adelanto o backwind) x* = x0 f '(x 0 ) ≈ H f (x1 ) − f(x1 − H) (Fórmula en retroceso o upwind) x* = x1 f '(x1 ) ≈ H f ( x * + H 2) − f(x * − H 2) (Fórmula centrada) x* = (x0+x1)/2 f '(x *) ≈ H x* Departamento de Matemática Aplicada y Métodos Informáticos 29 Universidad Politécnica de Madrid Ingeniería de Minas Fórmulas Fórmulas de de tipo tipo interpolatorio: interpolatorio: fórmulas fórmulas usuales usuales c) Soporte con 3 puntos {x0, x1 , x2} f (x) ≈ p1 (x) = f (x 0 ) + f [ x 0 ,x1 ]·( x − x 0 ) + f [ x 0 ,x1,x 2 ]·( x − x 0 )·( x − x1 ) f '(x*) ≈ p0 '(x*) = f [ x 0 ,x1 ] + f [ x 0 ,x1 ,x 2 ]·( ( x * − x 0 ) + ( x * − x1 ) ) f (x 2 ) − f (x1 ) f (x1 ) − f (x 0 ) − f (x1 ) − f (x 0 ) x 2 − x1 x1 − x 0 ·( ( x * − x 0 ) + ( x * − x1 ) ) = + x1 − x 0 x2 − x0 Primer caso particular: soporte equidistante y x* = x0 x* x0 x1 h x2 h f '(x *) ≈ − f (x * +2·h) + 4·f (x * +h) − 3·f (x *) 2·h (Fórmula en adelanto con 3 puntos) Departamento de Matemática Aplicada y Métodos Informáticos 30 Universidad Politécnica de Madrid Ingeniería de Minas Fórmulas Fórmulas de de tipo tipo interpolatorio: interpolatorio: fórmulas fórmulas usuales usuales Segundo caso particular: soporte equidistante y x* = x1 x* x0 x1 x2 h h f ( x * +h) − f (x * −h) f '(x *) ≈ 2·h (Fórmula centrada con 3 puntos) Tercer caso particular: soporte equidistante y x* = x2 x* x0 x1 h x2 f '(x *) ≈ 3·f (x*) − 4·f (x * −h) + 3·f (x * −2·h) 2·h h (Fórmula en retroceso con 3 puntos) Departamento de Matemática Aplicada y Métodos Informáticos 31 Universidad Politécnica de Madrid Ingeniería de Minas Departamento de Matemática Aplicada y Métodos Informáticos 32