La PizarraMatemática.

Matemáticas para ingeniería

Experimentos numéricos, convergencia y visualización

Una tabla con muchos decimales no demuestra que un método funcione bien. Diseñaremos una prueba con solución conocida, cambiaremos una cosa cada vez y mediremos el error de forma consistente. Después interpretaremos los cocientes entre mallas y la pendiente de un gráfico, cuidando los casos en que una curva convincente puede llevar a una conclusión equivocada.

1. El experimento empieza con una pregunta y una variable controlada

Para comprobar orden, fijamos problema, método, frontera, norma y tolerancias, y cambiamos el paso de malla. Para comparar coste a precisión dada, la pregunta y las medidas son otras. Cambiar a la vez problema y algoritmo impide atribuir una diferencia a una causa concreta.

Una solución manufacturada elige primero u y calcula a partir de ella el segundo miembro y las fronteras. Así conocemos la referencia sin depender de otro algoritmo que podría compartir errores. Después distinguimos el cálculo experimental de una prueba de convergencia para toda una familia.

Construir un problema con respuesta exacta para comprobar el método

Elegir u(x)=x−x⁴ en [0,1].

  1. Datos derivados

    u″=−12x², de modo que −u″=12x².

    En ambos extremos u vale cero.

  2. Ensayos

    Aplicar la misma diferencia centrada con h=1/2,1/4,1/8, manteniendo una resolución lineal suficientemente precisa.

  3. Medir

    Comparar Uᵢ con u(xᵢ) en los mismos nodos. Para N par, el error máximo exacto es h²/4: 1/16, 1/64 y 1/256.

Resultado

La referencia se conoce antes de ejecutar la aproximación.

Lo comprobamos

Las condiciones de frontera también se derivan de u; no se eligen otras por comodidad.

Un caso demasiado especial puede ocultar el orden

Para el mismo esquema, probar solo u(x)=x(1−x).

  1. Exactitud especial

    La segunda diferencia es exacta para cuadráticas, así los valores nodales pueden coincidir en todas las mallas.

  2. Medida

    Si el error nodal es cero, log(E anterior/E nuevo) no está definido.

  3. Conclusión

    No se anuncia orden infinito del método. Se añade un caso suave no cuadrático y se comprueba la norma que interesa.

Resultado

Un ejemplo exacto sirve para detectar algunos errores, pero no para estimar siempre el orden general.

Lo comprobamos

La función lineal por tramos puede seguir difiriendo entre nodos aun cuando la medida nodal sea cero.

2. Una norma debe conservar el mismo significado al cambiar la cantidad de nodos

La norma infinito toma la mayor diferencia nodal. La euclídea suma cuadrados y extrae raíz; sin una escala, puede crecer solo porque añadimos componentes. Una norma discreta con pesos de cuadratura puede aproximar un tamaño L² continuo, pero hay que declarar los pesos.

Tampoco se intercambian error nodal, error de una interpolación completa y error de energía. Si los nodos coinciden exactamente, una medida sobre todo el intervalo puede seguir siendo positiva. La tabla debe indicar qué objeto está comparando.

El mismo error constante parece mayor si se cuentan más componentes

Error ε en todos los nodos de una malla uniforme de [0,1], incluidos extremos; N intervalos.

  1. Máximo

    La norma infinito es |ε|, para cualquier N.

  2. Euclídea

    Hay N+1 componentes: su norma euclídea es |ε|√(N+1). No crece la altura del error; crece el número de sumandos.

  3. Escala continua

    Con pesos de trapecio h/2 en extremos y h en interiores, el cuadrado ponderado suma ε². Su raíz es |ε|, en acuerdo con el L² de una función constante en longitud uno.

Resultado

Comparar normas sin normalizar puede confundir refinamiento con empeoramiento.

Lo comprobamos

Estos pesos son una definición de medida discreta; para otras formas de error la cuadratura puede ser aproximada.

Error nodal cero y error L² positivo pueden describir la misma aproximación

Elementos lineales para −u″=2 con Dirichlet cero; u=x(1−x), malla uniforme.

  1. Nodos

    La solución de Galerkin con integrales exactas coincide con u en los nodos de este problema 1D.

  2. Entre nodos

    El interpolante es lineal y no es la parábola. Su error L² es h²/√30.

  3. Otra medida

    El error de energía es h/√3. Es orden uno en energía y orden dos en L², sin contradecir el error nodal cero.

Resultado

Decir solo «el error» omite una parte esencial del resultado.

Lo comprobamos

Las fórmulas se refieren a este ejemplo y a la integración exacta, no a cualquier simulación.

3. El error relativo necesita una referencia no nula o una escala declarada

El error absoluto conserva unidades. El relativo divide por el tamaño de una referencia no nula y no tiene unidades. La misma discrepancia absoluta puede ser insignificante para una magnitud grande e importante para una muy pequeña.

Cuando la referencia vale cero no existe ese cociente relativo. Podemos usar una tolerancia absoluta o una escala física elegida, indicando cuál. Una comparación mixta |a−b|≤atol+rtol|b| explicita la decisión.

Una diferencia pequeña en decimal puede representar veinte por ciento

Referencia b=10⁻⁶; aproximación a=1,2·10⁻⁶.

  1. Absoluto

    |a−b|=0,2·10⁻⁶=2·10⁻⁷.
  2. Relativo

    Dividir por |b| da 0,2, es decir, 20 %.

  3. Interpretar

    Muchos ceros después de la coma no garantizan buena precisión relativa. El tamaño de la referencia es parte de la comparación.

Resultado

Se informan las dos medidas cuando aportan información diferente.

Lo comprobamos

Un cambio de unidades multiplica ambos valores y el error absoluto, pero conserva este cociente relativo.

Una referencia cero no admite porcentaje de error relativo

Referencia b=0 y aproximación a=10⁻⁷.

  1. Absoluto

    El error es 10⁻⁷.

  2. Relativo

    Dividir por cero no está definido; no se anuncia cero por ciento ni un porcentaje finito.

  3. Regla explícita

    Si se exige atol=10⁻⁸, el resultado no pasa.

    Si el problema adopta una escala física s=10⁻³, el error normalizado por s es 10⁻⁴, que se identifica como tal.

Resultado

La escala alternativa debe declararse, no esconderse dentro del porcentaje.

Lo comprobamos

Cambiar la tolerancia cambia la exigencia del experimento y queda registrado.

4. El orden observado traduce un cociente de errores a un exponente

Si E(h)≈Chᵖ con C>0 y domina el mismo término en ambas mallas, E(h)/E(h/2)≈2ᵖ.

Por eso p observado=log(E(h)/E(h/2))/log2.

Para un refinamiento de factor r>1 se divide entre logr. El cociente de logaritmos permite usar cualquier misma base válida.

Los errores deben ser positivos y medir lo mismo con la misma referencia. Si solo comparamos dos aproximaciones, necesitamos además una expansión compatible del error para estimar precisión por diferencias. No se etiqueta cualquier diferencia entre mallas como error exacto.

Preguntar qué potencia de dos produce el cociente

E(h)=0,12 y E(h/2)=0,03.

  1. Cociente

    0,12/0,03=4.
  2. Exponente

    2²=4; por tanto p observado=2.
  3. Predicción

    Si sigue el régimen, el siguiente error será aproximadamente 0,03/4=0,0075. Esta predicción debe contrastarse con más mallas.

Resultado

El orden dos significa reducción por cuatro al reducir el paso por dos.

Lo comprobamos

No significa simplemente que la salida tenga dos decimales correctos.

Otro factor de refinamiento exige otro denominador

Pasos 0,3 y 0,1; errores 0,027 y 0,001.

  1. Factor

    El paso se divide por tres, no por dos.

  2. Cociente

    Los errores tienen razón 27=3³.
  3. Orden

    p observado=log27/log3=3.

    Usar log2 en el denominador daría otra cifra que no representa este refinamiento.

Resultado

La base del crecimiento se relaciona con el factor real de malla.

Lo comprobamos

No se confunde el número de filas de la tabla con el exponente estimado.

Las diferencias entre aproximaciones requieren una hipótesis para estimar error

Modelo escalar Uₕ=1−2h², con valor exacto uno desconocido para quien estima.

  1. Tres mallas

    Para h=0,2,0,1,0,05 salen 0,92,0,98,0,995.

    Las diferencias consecutivas son 0,06 y 0,015, con razón cuatro.

  2. Estimar

    Bajo el modelo de error de orden dos, el error de la malla fina h=0,1 se estima por 0,06/(2²−1)=0,02.

  3. Richardson

    La corrección 0,98+(0,98−0,92)/3 da uno, exacto para este modelo. Con términos superiores sería una estimación o extrapolación, no una identidad universal.

Resultado

Una diferencia se convierte en error estimado gracias a una expansión declarada.

Lo comprobamos

La diferencia 0,06 no era el error exacto 0,02 del punto fino.

5. Varias mallas distinguen el régimen asintótico y un suelo de error

En mallas gruesas pueden pesar términos de orden superior, capas de la solución o geometría aún mal resuelta. En las muy finas pueden dominar redondeo y tolerancias. Un único cociente no identifica todos esos regímenes.

Observamos varias filas buscando una tendencia compatible con el análisis. Un gráfico recto durante cierto rango es evidencia de una ley en ese rango, no una demostración de convergencia para toda malla ni de validez del modelo físico.

Un término adicional cambia el orden observado en mallas gruesas

Modelo de error E(h)=h²+100h⁴.

  1. Primeras filas

    E(0,2)=0,2 y E(0,1)=0,02: cociente diez y orden observado log₂10≈3,322.
  2. Más fino

    E(0,05)=0,003125: el siguiente cociente es 6,4 y su orden aproximadamente 2,678.
  3. Límite

    E(h)/h²=1+100h²→1.

    El orden asintótico es dos, aunque los primeros cocientes fueran mayores.

Resultado

Un orden medido alto en dos mallas no siempre es el orden final del método.

Lo comprobamos

Aquí el modelo entero es conocido y permite explicar la transición.

Una tolerancia fija puede hacer que el cociente tienda a uno

Modelo E(h)=h²+10⁻⁴.

  1. Término fijo

    Al hacerse pequeño h², domina 10⁻⁴.

  2. Dos mallas finas

    E(0,001)=0,000101 y E(0,0005)=0,00010025.

    El cociente es aproximadamente 1,00748.

  3. Orden observado

    log₂ del cociente es aproximadamente 0,01075, cercano a cero. La componente h² sigue ahí, pero ya no domina el error total.

Resultado

Refinar sin controlar otras fuentes puede ocultar un método de orden dos.

Lo comprobamos

El suelo fijo es un modelo ilustrativo; se investiga qué fuente lo produce en cada cálculo real.

6. El residual comprueba una ecuación, pero su escala condiciona la interpretación

Para Ax=b, definimos r=b−A x aproximada y e=x exacta−x aproximada.
Aquí r=Ae.

Se usa este signo de error en toda la sección; con la convención opuesta aparece un signo menos. La norma del inverso relaciona tamaño de residual y error.

La condición relativa y la escala absoluta responden preguntas diferentes. Un sistema escalar no nulo tiene número de condición relativo uno, aunque una A muy pequeña amplifique el error absoluto al invertirla. La salida del programa debe decir qué residual y tolerancia usó.

Un residual diminuto puede acompañar un error absoluto uno

A=10⁻⁴, b=1, aproximación 9999.

  1. Solución

    x exacta=1/(10⁻⁴)=10000, de modo que e=1.
  2. Residual

    r=1−10⁻⁴·9999=10⁻⁴.
  3. Escalas

    e=A⁻¹r=10000·10⁻⁴=1.

    El error relativo es 1/10000=10⁻⁴, igual al residual relativo; no contradice que la condición escalar sea uno.

Resultado

Error absoluto grande y precisión relativa pueden contar historias diferentes.

Lo comprobamos

Multiplicar la ecuación por una constante cambia la cifra residual, pero no su solución.

La resolución del sistema debe ser más precisa que el efecto que se quiere medir

Diferencias finitas de Dirichlet para u=x−x⁴, N par y h=0,01.

  1. Discretización

    El máximo nodal del error de discretización es h²/4=0,000025.
  2. Cota de resolución

    Si el residual original del operador Lₕ con 1/h² es como máximo 0,001, su contribución al error se acota por 0,001/8=0,000125.

  3. Controlar

    Bajar el umbral residual a 10⁻⁶ reduce esa cota a 1,25·10⁻⁷. La norma, escala del operador y tolerancia se mantienen registradas entre ensayos.

Resultado

Un solver que declara convergencia todavía necesita una interpretación de precisión.

Lo comprobamos

La cota 1/8 pertenece a ese problema unidimensional de Dirichlet y esa normalización.

7. Los ejes y la referencia deciden qué significa la pendiente

Si E=Chᵖ, entonces logE=logC+p logh.

En un gráfico logarítmico de E frente a h, la pendiente es p cuando h crece hacia la derecha. Frente a 1/h, la pendiente cambia a −p. Frente a un número total de puntos que escala como h⁻ᵈ, pasa a −p/d.

La pendiente depende de lo que representa el eje horizontal
E=h²/4; ejes en log₂-4-3-2-10-8-6Horizontal: log₂ hVertical: log₂ EPendiente +2 al crecer h.Con 1/h en horizontal sería −2.
Los puntos son logaritmo en base dos de h y del error E igual h cuadrado dividido entre cuatro: menos cuatro y menos diez, menos tres y menos ocho, menos dos y menos seis. La pendiente es más dos si h aumenta hacia la derecha. Al usar uno sobre h, el signo pasa a menos dos.

Una gráfica de soluciones superpuestas puede esconder discrepancias pequeñas. Añadimos una gráfica del error y una tabla con norma y referencia. Los segmentos entre datos son una ayuda visual; no presentan nuevos resultados calculados entre las mallas ensayadas.

Leer una recta con escala y dirección explícitas

E=h²/4; h=1/4,1/8,1/16.

  1. Errores

    Son 1/64, 1/256 y 1/1024.

  2. Coordenadas log₂

    Los pares (log₂h; log₂E) son (−2;−6), (−3;−8), (−4;−10). La razón de cambios vertical/horizontal es dos.

  3. Otro eje

    Con log₂(1/h), las abscisas son dos, tres y cuatro; la pendiente de los mismos errores sería menos dos.

Resultado

El signo se interpreta a partir del eje, no por memoria de un dibujo.

Lo comprobamos

El orden sigue siendo dos en ambos gráficos, aunque cambie el signo de la pendiente.

El número total de puntos cambia otra vez la pendiente

Modelo de malla d-dimensional con n total=h⁻ᵈ y error E=h².

  1. Una dimensión

    E=n⁻², pendiente menos dos en logE frente a logn.

  2. Dos dimensiones

    E=n⁻¹, pendiente menos uno.
  3. Tres dimensiones

    E=n⁻²ᐟ³, pendiente menos dos tercios.

    El orden en h sigue siendo dos en los tres casos.

Resultado

No se compara una pendiente frente a puntos totales con otra frente al paso sin convertirlas.

Lo comprobamos

La relación n=h⁻ᵈ es aquí un modelo de escala; el conteo exacto de nodos y fronteras puede añadir factores o términos de borde.

8. La comparación útil reúne precisión, coste y un registro reproducible

Guardamos problema y datos, método, h, número de incógnitas, norma y error, referencia, residual, tolerancias, estado de salida, tiempo y memoria cuando importan. Si la referencia es aproximada se documenta su propia precisión. El orden observado se informa solo donde tenga sentido calcularlo.

Una tabla con varias mallas permite comparar el coste de alcanzar la precisión pedida. La cantidad de trabajo por nodo, preparación, iteraciones y reutilización puede cambiar el balance. Los modelos de coste que usemos deben distinguirse de tiempos realmente medidos en un entorno declarado.

Afinar una malla tridimensional multiplica los datos rápidamente

Pasar de cuatro a ocho nodos por dirección en un bloque completo.

  1. Nodos

    Antes hay 4³=64 y después 8³=512: factor ocho.
  2. Memoria

    Un vector con un dato por nodo crece por ocho. Una matriz densa de tamaño igual al total de nodos crecería por 8²=64.

  3. Estructura

    Con número fijo de vecinos, los datos dispersos pueden crecer como el número de nodos; las iteraciones y el relleno de factores necesitan su propio análisis.

Resultado

Contar nodos no basta para predecir toda la memoria del solver.

Lo comprobamos

El ejemplo cuenta nodos de un bloque completo, sin cambiar aquí condiciones de frontera o geometría.

Mayor orden no elimina los costes constantes

Modelos ilustrativos: método A tiene E=h y coste 1/h; B tiene E=h² y coste c/h. Se pide E≤0,01.

  1. Método A

    Necesita h≤0,01; en el límite, coste 100.
  2. Método B

    Necesita h≤0,1; el coste en el límite es 10c.

    Con c=2 cuesta veinte y con c=20 cuesta doscientos.

  3. Comparar

    El orden dos reduce la necesidad de refinamiento, pero la decisión depende también del coste por unidad. En un experimento real se miden ambas partes con la misma precisión objetivo.

Resultado

Una recomendación se apoya en error y trabajo, con supuestos visibles.

Lo comprobamos

Los costes son modelos declarados, no segundos de ejecución inventados.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Estimar orden

Errores 0,08 y 0,02 en pasos h y h/2. Calcula p observado.

  1. Datos

    Los pasos son h y h/2, y los errores positivos comparables son 0,08 y 0,02.

  2. Cociente

    0,08/0,02=4.
  3. Ley de orden

    Si domina E(h)≈Chᵖ, al reducir h por dos el cociente se aproxima a 2ᵖ.

  4. Exponente

    2²=4, así el orden observado es p=2.
  5. Predicción

    Otro refinamiento sugeriría 0,02/4=0,005 si sigue el mismo régimen.

  6. Alcance

    Se conserva norma, referencia y control de otros errores; un único par de datos no demuestra el orden asintótico para cualquier malla.

Resultado

p=2.

Lo comprobamos

Reducir otra vez h sugeriría error cercano a 0,005 si sigue el régimen.

EJEMPLO RESUELTO 2

Separar residual y error

A=0,001 escalar, b=1 y x̃=999. Calcula residual y error respecto de x exacto.

  1. Sistema

    A=0,001 y b=1, así la solución escalar exacta es 1000.
  2. Aproximación

    Se ha obtenido x aproximada=999.
  3. Residual

    r=b−Ax aproximada=1−0,001·999=0,001.
  4. Error absoluto

    |1000−999|=1.
  5. Relación

    e=A⁻¹r=1000·0,001=1.

    El inverso conecta dos magnitudes distintas.

  6. Control relativo

    El error relativo es 1/1000=0,001 y el residual relativo también 0,001, coherentes con condición relativa uno de un escalar no nulo. La escala del operador explica la diferencia absoluta.

Resultado

Residual 0,001 y error absoluto 1.

Lo comprobamos

La escala del operador relaciona ambos; no son la misma magnitud.

Los símbolos que hemos usado

Error absoluto
Distancia a una referencia en una norma declarada.
Error relativo
Error absoluto dividido por una escala de referencia no nula.
p observado
Exponente estimado comparando errores en dos tamaños de paso.
Régimen asintótico
Zona donde el término principal de una ley de error domina los restantes.
Residual
Defecto de cumplimiento de la ecuación, distinto del error de solución.
Referencia
Solución exacta o aproximación suficientemente precisa usada para comparar.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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