Un resultado decimal puede estar cerca de la respuesta sin demostrar dónde está exactamente. El cálculo validado encierra todos los resultados posibles en un intervalo. Aprenderemos a operar con esos conjuntos, conservar la inclusión al redondear y usarla para demostrar un signo o localizar una raíz.
Si necesitas repasar:
1. Un intervalo encierra posibilidades y no asigna probabilidades
X=[a,b], con a≤b, representa todos los reales x tales que a≤x≤b. Su anchura es b−a. Puede describir incertidumbre del dato, un conjunto de búsqueda o el error de un cálculo. El punto medio no es más probable por estar en el centro.
La meta es inclusión: un intervalo calculado debe contener cada resultado compatible con los datos. Una inclusión puede ser correcta y ancha. Se distinguen garantía y precisión; una banda estrecha que excluya el valor verdadero no sirve como certificado.
Leer qué sabemos
La longitud x pertenece a [2,3].
Admisibles
Dos, tres y cualquier valor entre ambos.
No admisible
3,1 queda fuera.
Anchura
3−2=1; no es una desviación típica por definición.
El intervalo expresa una condición sobre valores posibles.
No se supone una distribución uniforme.
Una cota válida pero poco precisa
La respuesta real es 1/3.
Amplia
[0,1] la contiene.
Más estrecha
[33/100,34/100] también la contiene.
Incorrecta
[333/1000,333/1000] no contiene 1/3.
La anchura cero no garantiza exactitud del número elegido.
Los dos extremos del último intervalo son exactamente 333/1000, que es menor que 1/3.
2. Suma y resta usan extremos diferentes
En la resta, el mayor segundo argumento produce el menor resultado: X−Y=[a−d,b−c]. Son imágenes exactas cuando las dos elecciones son independientes.
Si la expresión repite la misma variable, la aritmética básica sigue produciendo una inclusión, pero puede olvidar la relación entre apariciones. Antes de evaluar se comprueba qué datos representan variables distintas y cuáles son una misma cantidad.
Sumar dos incertidumbres
X=[1,3] e Y=[−2,4].
Mínimo
1+(−2)=−1.Máximo
3+4=7.Resultado
X+Y=[−1,7].
Los extremos se alcanzan con elecciones permitidas.
La suma no se calcula sumando solo puntos medios.
Restar dos intervalos
X=[1,3] e Y=[2,5].
Mínimo
1−5=−4.Máximo
3−2=1.Resultado
X−Y=[−4,1].
Restar extremos del mismo lado habría dado una cota errónea.
Para el mínimo se usa el máximo del sustraendo.
3. El producto compara cuatro esquinas porque los signos pueden cambiar
El producto de dos intervalos independientes es . Para cada y fijo, xy es lineal en x y alcanza extremos en a o b; después se repite el argumento con y.
La fórmula cubre signos mixtos sin memorizar una regla distinta en cada caso. Un cuadrado de una misma variable conserva una relación adicional: si X contiene cero, el conjunto de cuadrados tiene mínimo cero, aunque X·X permita productos de signos contrarios.
Cuatro productos, no solo dos
X=[−3,2], Y=[−2,4].
Esquinas
6, −12, −4 y 8.
Ordenar
El menor es −12 y el mayor ocho.
Resultado
XY=[−12,8].
Multiplicar inferiores entre sí no habría dado el mínimo.
Los extremos se alcanzan en (−3,4) y (2,4).
Cuadrado frente a producto independiente
X=[−1,1].
Producto general
X·X=[−1,1], pues se permite escoger −1 y +1 por separado.Misma variable
x²≥0 y su máximo es uno.Cuadrados
La imagen exacta de x² es [0,1].
La operación especializada de cuadrado usa información que el producto general no conserva.
No es una contradicción: cambian las parejas permitidas.
4. La división debe comprobar el cero antes de operar
X/Y se obtiene multiplicando por ese recíproco. La condición excluye un cero en un extremo y también en el interior.
Si el denominador contiene cero, algunas operaciones no están definidas y la imagen permitida puede ser no acotada o tener dos partes. Dividir extremos sin revisar esto puede perder valores. No se reemplaza un conjunto disjunto por un intervalo pequeño que omita sus ramas.
Dividir por un intervalo positivo
X=[2,4] e Y=[1,2].
Recíproco
1/Y=[1/2,1].Producto
Las esquinas van de uno a cuatro.
Resultado
X/Y=[1,4].
La pareja dos dividido por dos produce el mínimo.
La pareja cuatro dividido por uno produce el máximo.
El cero cambia el problema
Recíprocos de los valores no nulos de Y=[−1,1].
Positivos
1/y recorre [1,∞).
Negativos
Recorre (−∞,−1].
Conclusión
No cabe todo en un intervalo real acotado; 1/0 además no está definido.
El conjunto tiene dos ramas no acotadas.
El resultado no es simplemente [−1,1].
5. Redondear hacia fuera conserva la inclusión en el ordenador
Un extremo exacto puede no tener representación finita en la aritmética usada. El inferior se redondea hacia menos infinito y el superior hacia más infinito. Esto se aplica a datos, operaciones y funciones elementales con implementación certificada, no solo al resultado final.
Convertir primero un decimal a coma flotante ordinaria y luego ponerle un intervalo puntual encierra ese número de máquina, que puede diferir del decimal matemático pretendido. Una biblioteca validada puede convertir una cadena decimal en un intervalo que sí lo incluya. No se inventa rigor añadiendo unos decimales arbitrarios.
Un redondeo decimal ilustrativo
Solo permitimos tres cifras tras la coma para encerrar 1/3.
Inferior
333/1000=0,333 está por debajo.Superior
334/1000=0,334 está por encima.Inclusión
333/1000≤1/3≤334/1000.
El intervalo conserva el valor verdadero con anchura 1/1000.
Este ejemplo usa una rejilla decimal ilustrativa, no describe todos los detalles de IEEE binario.
Por qué no se redondea solo al final
Imaginemos que redondeamos 1/3 al punto 333/1000 y después multiplicamos por tres.
Intermedio
El valor exacto 1/3 ya quedó excluido.
Producto
Obtenemos 999/1000 en lugar de uno.
Con intervalo
[333/1000,334/1000]·3=[999/1000,1002/1000], que sí contiene uno.
Cada paso debe mantener la inclusión necesaria para el siguiente.
Un intervalo final solo es riguroso si también ha contado los errores anteriores.
6. La dependencia puede ensanchar una cota y la reformulación puede recuperarla
Si x∈[1,2], X−X produce [−1,1] al tratar las apariciones como elecciones independientes.
El cuadrado de parejas y su diagonal permiten ver exactamente qué información se perdió.
Simplificar, completar cuadrados, subdividir el dominio o usar formas de Taylor puede estrechar inclusiones. Todas las reformulaciones tienen que ser algebraicamente válidas en el dominio: cancelar un denominador que puede ser cero cambiaría el conjunto donde la expresión está definida.
La diagonal explica la sobreestimación
x∈[1,2] en la expresión x−x.
Parejas independientes
Permiten x=1 e y=2, con diferencia −1.Misma variable
Solo se permiten las parejas de la diagonal y=x.Valor
Todas dan cero.
La evaluación básica es una cota válida, pero contiene resultados ajenos a la dependencia real.
Los corchetes por sí solos no guardan todas las relaciones.
Completar un cuadrado estrecha el rango
f(x)=x(1−x), x∈[0,1].
Básica
X(1−X) da [0,1].
Reformular
f(x)=1/4−(x−1/2)².Cuadrado
(x−1/2)²∈[0,1/4]; por tanto f(X)⊆[0,1/4], su rango exacto.
La nueva cuenta conserva mejor la relación entre apariciones.
No se ha cambiado la función ni se ha descartado ningún x admisible.
7. Un intervalo con cero no demuestra que exista una raíz
Si una inclusión de f(X) tiene extremo inferior estrictamente positivo, f es positiva en todo X. Si contiene cero, la prueba es inconclusa: puede haber una raíz o puede ser una sobreestimación.
Existencia se puede demostrar con continuidad y signos opuestos verificados en los extremos. Unicidad se puede añadir si f es continuamente diferenciable y una inclusión de f′ en X excluye cero. Esa derivada tiene un signo constante y f es estrictamente monótona.
Una evaluación inconclusa pese a no haber raíz
f(x)=x²−x+1 en X=[0,1].
Básica
X²−X+1⊆[0,2], que contiene cero.Reformular
f=(x−1/2)²+3/4.Certificar
f(X)⊆[3/4,1], estrictamente positivo.
El primer intervalo no probaba existencia de ninguna raíz.
La inclusión más precisa permite excluirlas en todo X.
Probar una raíz y su unicidad
f(x)=x²−3 en [1,2].
Signos
f(1)=−2 y f(2)=1.Existencia
Continuidad y signos opuestos dan una raíz interior.
Unicidad
f′(x)=2x∈[2,4], siempre positiva; hay una sola.
La prueba combina inclusión y teoremas con sus hipótesis.
La raíz positiva es √3; no hace falta conocer su decimal para probarlo.
8. Newton intervalar conserva todas las raíces posibles al reducir la búsqueda
Con f∈C¹(X), m∈X y una inclusión F′(X) de la derivada que excluye cero, cualquier raíz ξ∈X cumple por el teorema del valor medio. Se conserva X∩N(X).
Si esa intersección es vacía, no hay raíz en X. Si no es vacía, eso solo no demuestra existencia. Hay criterios de inclusión de Newton y otros operadores que sí la certifican con hipótesis adicionales; aquí usaremos existencia ya probada por signos para distinguir las afirmaciones.
Reducir la raíz probada de x²−3
X=[1,2], m=3/2 y F′(X)=[2,4].
Valor
f(m)=9/4−3=−3/4.Dividir
f(m)/[2,4]=[−3/8,−3/16].Restar
N=3/2−[−3/8,−3/16]=[27/16,15/8], contenido en X.
La raíz única previamente probada está dentro de ese intervalo más estrecho.
La inclusión se calcula con fracciones exactas, sin confiar en un decimal de √3.
Excluir un intervalo
f=x²−3, X=[2,3], m=5/2 y F′(X)=[4,6].
Valor
f(m)=25/4−3=13/4.Newton
N=[5/2−13/16,5/2−13/24]=[27/16,47/24].Intersección
47/24<2, de modo que N∩[2,3] es vacía.
No hay raíz dentro de [2,3].
La exclusión utiliza que todas las raíces posibles de X tendrían que estar también en N.
9. Validar un algoritmo también cuenta el error de truncamiento
Las operaciones intervalares pueden encerrar el resultado exacto de una fórmula finita. Para que esa fórmula aproxime una integral, una EDO o una EDP también se necesita una cota del resto de discretización, además de redondeo y propagación.
Un intervalo final debe indicar qué contiene: una raíz, una integral, un estado a tiempo fijado o solo el resultado de unas operaciones. Ampliarlo con una cota demostrada del resto convierte esa información en la afirmación pertinente. No se deduce existencia global de una solución diferencial solo de evaluar una fórmula sin fallos.
Una integral necesita un resto
Aproximamos ∫₀¹x²dx por el punto medio.
Fórmula
f(1/2)=1/4.Resto
La cota de punto medio es max|f″|/24=2/24=1/12.Inclusión
La integral está en [1/4−1/12,1/4+1/12]=[1/6,1/3].
La integral exacta 1/3 queda incluida.
Calcular 1/4 con aritmética exacta no habría eliminado el error de cuadratura.
Qué significa una localización de raíz
Una prueba garantiza ξ∈[a,b].
Centro
Tomamos c=(a+b)/2.Error
|ξ−c|≤(b−a)/2.Tolerancia
Si la anchura es como máximo 2ε, el centro aproxima con error absoluto como máximo ε.
La precisión se deduce del intervalo y de la inclusión probada.
Antes se ha establecido qué raíz se está localizando y si es única.
Ahora lo resolvemos de principio a fin.
EJEMPLO RESUELTO 1
Producto con signos
Calcula [−2,3]·[4,5].
Leer intervalos
X=[−2,3] e Y=[4,5].Dos primeras esquinas
−2·4=−8 y −2·5=−10.Otras dos
3·4=12 y 3·5=15.Extremos
El mínimo es −10 y el máximo quince.
Resultado
XY=[−10,15].Verificar
Los extremos se alcanzan con parejas permitidas y la imagen del rectángulo contiene los valores intermedios.
El intervalo es [−10,15].
Los extremos se alcanzan con parejas permitidas.
EJEMPLO RESUELTO 2
Dependencia
Compara el cálculo básico de x−x para x∈[1,2] con el valor exacto.
Leer dependencia
Las dos apariciones son la misma x, con x∈[1,2].
Cálculo básico
X−X=[1−2,2−1]=[−1,1].Identidad
Para cada x, x−x=0.Rango exacto
Es [0,0].
Comparar
Cero está dentro de [−1,1], por tanto la cota básica es válida.
Explicar
La cota permite elecciones independientes que la identidad no admite; simplificar antes conserva esa relación.
La cota básica es válida pero sobreestima.
Simplificar antes puede mejorar la cota.
Los símbolos que hemos usado
- [a,b]
- Conjunto de reales x que cumplen a≤x≤b, con a≤b.
- Inclusión
- El conjunto de valores verdaderos está contenido en el intervalo calculado.
- Redondeo dirigido
- Redondear cada extremo en el sentido que conserva la inclusión.
- Dependencia
- Aparición repetida de una misma variable que la evaluación básica trata de forma independiente.
- Extensión intervalar
- Evaluación sobre intervalos que encierra los valores de una función en el dominio indicado.
- Anchura
- b−a: tamaño del intervalo, distinto de su punto medio.
- Validación
- Argumento que controla hipótesis, datos y errores de cálculo para garantizar una afirmación.
Ahora te toca a ti.
Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.
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