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Matemáticas para ingeniería

Cuadratura y derivación numérica

Una derivada describe una pendiente instantánea; una integral acumula una cantidad. Si solo disponemos de valores de una función, debemos aproximarlas. Veremos qué puntos pide cada fórmula, de dónde salen sus pesos y qué error dejan. El paso h será una decisión que tendremos que justificar, no un número que siempre convenga hacer diminuto.

1. Una diferencia finita mide una secante; la derivada es su límite

La derivada se define por f′(x)=limₕ→₀[f(x+h)−f(x)]/h, si existe.

Para h>0 fijo, el cociente es la pendiente de la secante entre dos puntos. Calculamos primero los nodos, después sus valores, luego la diferencia vertical y finalmente dividimos por la separación horizontal.

Necesitamos que ambos nodos pertenezcan al dominio. Si conocemos solo muestras, no podemos pedir valores en cualquier lugar sin disponer de un modelo adicional. Tampoco llamamos exacta a una pendiente instantánea solo por calcular correctamente una secante: el error puede venir de usar un intervalo de ancho finito.

Una secante de una curva no tiene por qué coincidir con su tangente

f(x)=x², x=1 y h=0,2; diferencia hacia delante.

  1. Nodos y valores

    x+h=1,2; f(1)=1 y f(1,2)=1,44.
  2. Cociente

    (1,44−1)/0,2=0,44/0,2=2,2.
  3. Referencia

    f′(1)=2; el error es 0,2.

    La cuenta de la secante es correcta, pero no es el límite.

Resultado

La aproximación es 2,2.

Lo comprobamos

No confundimos el paso 0,2 con el incremento vertical 0,44.

En una recta cualquier secante tiene la pendiente exacta

f(x)=3x+2; x=4; h=1/2.

  1. Evaluar

    f(4)=14 y f(4,5)=15,5.
  2. Restar y dividir

    (15,5−14)/0,5=1,5/0,5=3.
  3. Interpretar

    La recta tiene derivada constante tres; no hay error de truncamiento en este caso.

Resultado

La exactitud depende aquí de la forma de la función.

Lo comprobamos

No se concluye que un paso de medio sea exacto para toda curva.

2. Taylor permite acotar el error de avanzar o retroceder

Si f es C² en el tramo pertinente, Taylor da f(x+h)=f(x)+hf′(x)+(h²/2)f″(ξ).
Restar y dividir por h deja D₊f=f′(x)+(h/2)f″(ξ).
Si |f″|≤M₂ en ese tramo, |D₊f−f′(x)|≤M₂h/2.

Esto explica el orden uno: la cota disminuye proporcionalmente a h.

La diferencia hacia atrás es D₋f=[f(x)−f(x−h)]/h; tiene una cota análoga, con los nodos al otro lado. En un extremo del dominio puede ser la opción disponible. O(h) describe una tasa bajo hipótesis y con constantes; no proporciona por sí solo un número de error ni permite ignorar el redondeo.

Ver la cota de primer orden convertida en igualdad

f(x)=x² en x=1, h=0,1.

  1. Desarrollar

    ((1+h)²−1)/h=(2h+h²)/h=2+h.
  2. Evaluar

    D₊=2,1; el error respecto de dos es 0,1.
  3. Cota

    f″=2, así M₂h/2=h=0,1.
    Al usar h=0,01 el error pasa a 0,01.
Resultado

En este ejemplo el error es exactamente h.

Lo comprobamos

Se simplifica con h≠0 antes de estudiar el límite.

Cambiar el lado también cambia el signo del error

f(x)=x² en x=1, h=1/4; usamos diferencia hacia atrás.

  1. Nodos

    f(1)=1 y f(3/4)=9/16.
  2. Cociente

    (1−9/16)/(1/4)=(7/16)·4=7/4=1,75.
  3. Comparar

    La derivada es dos; el error firmado es −1/4 y su magnitud h. La diferencia hacia delante daría 2,25.

Resultado

Las dos aproximaciones rodean la derivada en esta curva convexa.

Lo comprobamos

No usamos la misma fórmula cambiando de lado sin cambiar los nodos.

3. La diferencia central cancela los términos pares por simetría

La fórmula D₀f=[f(x+h)−f(x−h)]/(2h) usa nodos a ambos lados.

En Taylor los términos constantes se cancelan, los lineales suman 2hf′(x), los cuadráticos vuelven a cancelarse.

Si f es C³ y |f‴|≤M₃ en [x−h, x+h], el resto da |D₀f−f′(x)|≤M₃h²/6.
La diferencia central usa un intervalo de ancho dos h
f(x)=x²; x=1; h=1/2Una secante a ambos lados0,511,5Pendiente: (2,25−0,25)/1=2Coincide con f′(1)=2.
La secante roja une las muestras en 1−h y 1+h. El ancho es 2h=1, no h=1/2. Para esta cuadrática su pendiente dos coincide exactamente con la derivada en el centro, en aritmética real. Esa exactitud no se extiende a cualquier curva.

El ancho entre los nodos es 2h. La fórmula tiene orden dos bajo esas hipótesis y es exacta para polinomios de grado ≤2 en aritmética real, porque su tercera derivada es cero. En un borde quizá falte uno de los nodos: no se inventa su muestra ni se asume que un valor fuera del dominio existe.

Una cuadrática muestra la cancelación completa

f(x)=x² en x=1, h=1/2.

  1. Valores

    f(1,5)=2,25 y f(0,5)=0,25.
  2. Ancho

    Los nodos están separados por 1=2h.
  3. Pendiente

    (2,25−0,25)/1=2, igual a f′(1).

    La secante y la tangente son paralelas en este ejemplo.

Resultado

El cálculo central es exacto para esta cuadrática.

Lo comprobamos

Dividir entre h en vez de 2h daría erróneamente cuatro.

Una cúbica deja un error de tamaño h²

f(x)=x³, x=2 y h=0,1.

  1. Expandir antes de evaluar

    (x+h)³−(x−h)³=6x²h+2h³.
  2. Dividir

    D₀=3x²+h²; en x=2 da 12,01.
  3. Control

    La derivada exacta es doce y el error 0,01=h².
    Como f‴=6, la cota M₃h²/6 coincide.
Resultado

La simetría mejora el orden, pero no hace exacta cualquier función.

Lo comprobamos

Con h/2, el error de truncamiento de este ejemplo se divide por cuatro.

4. Reducir h disminuye truncamiento y puede amplificar errores de evaluación

Si cada muestra tiene error absoluto ≤ε, la resta hacia delante puede introducir hasta 2ε en su numerador, que al dividir pasa a 2ε/h. En la central la cota correspondiente es ε/h. Estos efectos se añaden al truncamiento y a otros errores de las operaciones. Un modelo orientativo es C₁hᵖ+C₂ε/h.

Para constantes positivas, minimizar ese modelo da h=(C₂ε/(pC₁))^(1/(p+1)). Es una escala orientativa con unidades y constantes concretas, no una receta universal para cualquier función. Si x+h se redondea al mismo número que x, los dos nodos ya no son distintos dentro de la máquina. Comparar pasos ayuda a diagnosticar, pero no reemplaza una cota.

Comparar tres pasos bajo una misma cota de ruido

f(x)=x²; diferencia hacia delante; error absoluto de cada muestra ≤5·10⁻⁹.

  1. Modelo acotado

    El truncamiento vale h y el término de datos es como máximo 10⁻⁸/h.

  2. Tres valores

    Con h=10⁻², la suma es 0,010001; con h=10⁻⁴ es 0,0002; con h=10⁻⁶ vuelve a ser 0,010001.

  3. Equilibrio

    El mínimo del modelo h+10⁻⁸/h está en h=10⁻⁴.
Resultado

Un paso cien veces menor que el equilibrado tiene una cota peor.

Lo comprobamos

La suma es una cota del modelo declarado, no el error observado obligatorio en todas las muestras.

Dos nodos distintos en papel pueden coincidir al almacenarlos

En aritmética binary64 calculamos la diferencia hacia delante de x² en x=1 con h=10⁻²⁰.

  1. Suma

    1+h se redondea a uno en ese formato.

  2. Evaluaciones

    Ambos valores de x² calculados en esos nodos coincidentes son uno.

  3. Cociente inútil

    El numerador cero produce derivada calculada cero, aunque la derivada exacta sea dos.

Resultado

El paso diminuto ha eliminado la información de la diferencia.

Lo comprobamos

Antes de pedir más decimales comprobamos que las muestras sigan siendo diferentes.

5. El trapecio integra la cuerda entre los extremos

En [a, b] reemplazamos la función por la recta que une sus valores extremos.

Su integral es T=(b−a)[f(a)+f(b)]/2: ancho por altura media.

Si hay valores negativos, hablamos de integral con signo, no de área geométrica positiva sin más. Para una función afín, la cuerda coincide con la función y la regla es exacta.

El trapecio integra la cuerda, no la curva original
Una cuerda sobre una curva convexaf(x)=x² en [0,1]01Trapecio: 1/2Integral: 1/3
En una curva convexa la cuerda queda por encima. En [0,1], un trapecio da 1/2 para x², mientras la integral vale 1/3. La diferencia 1/6 tiene signo y tamaño comprobables.
Con f″ continua, I−T=−(b−a)³f″(ξ)/12.

Se obtiene integrando el resto de interpolación lineal y usando el signo fijo de (x−a)(x−b); una cota es M₂(b−a)³/12. Al sumar n paneles de ancho h en un intervalo fijo, la cota pasa a M₂(b−a)h²/12: error de panel cúbico y error compuesto cuadrático. En una curva convexa la cuerda queda encima y T≥I.

Medir el error de un trapecio y después dividirlo en dos

f(x)=x² en [0,1].

  1. Un panel

    T₁=(1−0)(0+1)/2=1/2.

    La integral exacta es 1/3; error 1/6.

  2. Dos paneles

    h=1/2; T₂=h[f(0)/2+f(1/2)+f(1)/2]=(1/2)(0+1/4+1/2)=3/8.
  3. Comparar

    T₂−I=3/8−1/3=1/24: el error se divide por cuatro.
Resultado

La mejora coincide con orden global dos en este ejemplo.

Lo comprobamos

Los valores interiores tienen peso uno en la suma compuesta; los extremos peso un medio.

La exactitud afín se comprueba con una integral conocida

f(x)=3x+2 en [0,2].

  1. Alturas

    f(0)=2 y f(2)=8.
  2. Trapecio

    T=2(2+8)/2=10.
  3. Integral

    Una primitiva es 3x²/2+2x; entre cero y dos da 6+4=10.
Resultado

La regla es exacta en aritmética real para esta recta.

Lo comprobamos

La segunda derivada cero hace desaparecer el resto.

6. Simpson integra una parábola y también resulta exacta para cúbicas

Con m=(a+b)/2, Simpson usa S=(b−a)[f(a)+4f(m)+f(b)]/6.

Para ver los pesos, cambiamos a nodos −1,0,1: las bases de Lagrange son t(t−1)/2, 1−t² y t(t+1)/2; sus integrales son 1/3,4/3,1/3. El cambio de escala multiplica por (b−a)/2. La parte cúbica impar respecto del centro se anula tanto en la integral como en la suma: por eso también es exacta en grado tres.

El teorema del resto, si f es C⁴, da I−S=−(b−a)⁵f⁽⁴⁾(ξ)/2880.

En la regla compuesta uniforme, con número par de subintervalos de ancho h, agrupamos paneles de dos pasos y los pesos son 1,4,2,4,…,2,4,1, multiplicados por h/3. La cota global es M₄(b−a)h⁴/180. Saltos o singularidades pueden invalidar estas cotas clásicas.

Comprobar la exactitud cúbica con tres muestras

f(x)=x³ en [0,2], punto medio uno.

  1. Muestras

    f(0)=0, f(1)=1, f(2)=8.
  2. Pesos

    S=(2/6)(0+4·1+8)=4.
  3. Integral exacta

    Una primitiva es x⁴/4; entre cero y dos da cuatro.

Resultado

Simpson es exacto aquí aunque se construya con un interpolante cuadrático.

Lo comprobamos

La exactitud cúbica es una propiedad de la integral de la regla, no igualdad de la parábola con la cúbica en todo punto.

Una cuarta potencia deja un resto controlable

f(x)=x⁴ en [0,2].

  1. Un panel

    S₂=(2/6)(0+4·1+16)=20/3.
  2. Referencia y resto

    I=32/5.
    S₂−I=4/15; f⁽⁴⁾=24 y 2⁵·24/2880=4/15.
  3. Cuatro subintervalos

    Con h=1/2, la suma compuesta da 77/12.
    Su error es 77/12−32/5=1/60, dieciséis veces menor.
Resultado

La reducción corresponde al orden global cuatro.

Lo comprobamos

El subíndice cuenta subintervalos elementales: un panel de Simpson ya usa dos.

7. Comparar pasos permite extrapolar si el régimen de error es el esperado

Supongamos Q_h=I+Chᵖ+o(hᵖ).

Entonces Q_{h/2}−I tiene aproximadamente 1/2ᵖ del error principal de Q_h. La estimación del error fino es (Q_h−Q_{h/2})/(2ᵖ−1), con signo según ese convenio. Richardson combina R=(2ᵖQ_{h/2}−Q_h)/(2ᵖ−1) para cancelar el término principal.

Que haya una expansión apropiada importa: redondeo, ruido, falta de suavidad o muestras que omiten oscilaciones pueden hacer engañosa la comparación. Las reglas adaptativas comparan estimaciones locales y distribuyen tolerancias, pero necesitan sus propios supuestos y controles. Una diferencia pequeña entre dos cuadraturas no constituye por sí sola una garantía universal.

Eliminar un error principal que conocemos exactamente

Para x² en [0,1], T₁=1/2 y T₂=3/8; usamos p=2.

  1. Diferencia

    T₁−T₂=1/8.
  2. Estimar el error fino

    (1/8)/(4−1)=1/24, igual a T₂−I en este ejemplo.
  3. Extrapolar

    R=(4·3/8−1/2)/3=1/3.
Resultado

Richardson recupera aquí la integral exacta.

Lo comprobamos

La exactitud se debe a la estructura especial del error de esta cuadrática, no a una promesa para toda función.

Dos reglas pueden coincidir y perder una oscilación entera

f(x)=sin²(4πx) en [0,1]; trapecio compuesto con n=2 y n=4, en aritmética real.

  1. Nodos de ambas mallas

    Todos son múltiplos de 1/4; allí 4πx es un múltiplo de π y f vale cero.

  2. Resultados

    Ambas cuadraturas dan cero, y su diferencia también.

  3. Referencia independiente

    sin²(4πx)=(1−cos(8πx))/2; integrar en [0,1] da 1/2.
Resultado

La coincidencia no detectó lo que sucedía entre las muestras.

Lo comprobamos

La función es suave: este ejemplo también impide presentar una simple comparación como certificado sin condiciones adicionales.

8. Derivar amplifica oscilaciones rápidas; integrar no elimina todo tipo de ruido

Una perturbación de amplitud ε puede tener derivada grande si oscila rápido: para ε sin(ωx), la derivada tiene amplitud ε|ω|. Su integral sobre un intervalo tiene magnitud como máximo 2ε/|ω| cuando ω≠0. Esto explica por qué pequeñas diferencias de muestras ruidosas pueden dar pendientes muy poco fiables.

La integración amortigua ciertas oscilaciones por cancelación, pero no elimina un sesgo constante. Al informar una aproximación indicamos fórmula, nodos, paso, precisión de las muestras y control del error. Separamos siempre error de truncamiento, error en los datos y error aritmético.

El mismo ruido tiene efectos de tamaños muy distintos

Añadimos ε sin(ωx) con ε=0,001 y ω=1000.

  1. Amplitud de entrada

    El cambio en el valor de la función es como máximo 0,001.

  2. Derivar

    La perturbación de derivada es cos(1000x), de amplitud uno.

  3. Integrar

    En cualquier intervalo, la perturbación de integral tiene magnitud como máximo 2·0,001/1000=0,000002.

Resultado

Una oscilación pequeña puede ser grande después de derivar.

Lo comprobamos

Las cotas se refieren a las magnitudes y unidades de cada salida, que son distintas.

Un error constante no se cancela al acumular

Cada muestra de f tiene un sesgo fijo de +0,01 en [0,5].

  1. Derivada ideal del sesgo

    La constante tiene derivada cero; las diferencias ideales la cancelan.

  2. Integral del sesgo

    Acumular 0,01 durante una longitud cinco añade 0,05.

  3. Diagnóstico

    Este error persistirá aunque refinemos la malla de integración si el sesgo de las muestras sigue igual.

Resultado

Integrar puede conservar un error sistemático de los datos.

Lo comprobamos

Reducir el truncamiento de la cuadratura no corrige automáticamente una medición sesgada.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Derivada centrada exacta en una cuadrática

Usa la diferencia central [f(x+h)−f(x−h)]/(2h), con h=0,5, para aproximar la derivada de f(x)=x² en x=2.

  1. Fijar fórmula y datos

    Usamos la diferencia central indicada: x=2 y h=0,5.
  2. Colocar los dos nodos

    x+h=2,5 y x−h=1,5.
  3. Evaluar

    f(2,5)=6,25 y f(1,5)=2,25.
  4. Formar el cociente

    El numerador es cuatro y el ancho 2h=1, así la aproximación vale cuatro.

  5. Referencia

    f′(x)=2x y f′(2)=4.
  6. Justificar exactitud especial

    (x+h)²−(x−h)²=4xh.

    Al dividir por 2h queda 2x, exacto en aritmética real para esta cuadrática.

Resultado

La aproximación es 4, exacta en este caso.

Lo comprobamos

Al expandir (x+h)²−(x−h)²=4xh se recupera 2x.

EJEMPLO RESUELTO 2

Un trapecio

Aproxima ∫₀² x² dx con un solo trapecio.

  1. Panel

    a=0, b=2, f(x)=x² y un solo trapecio.
  2. Extremos

    f(0)=0 y f(2)=4.
  3. Altura media

    (0+4)/2=2.
  4. Cuadratura

    Ancho dos por altura media dos da T=4.

  5. Integral exacta

    La primitiva x³/3 da I=8/3.
  6. Control geométrico

    T−I=4/3>0.

    La curva convexa queda bajo su cuerda; el signo del error coincide.

Resultado

T=4; la integral exacta es 8/3.

Lo comprobamos

La curva es convexa: el segmento queda encima y el trapecio sobreestima.

Los símbolos que hemos usado

h
Separación entre nodos, positiva en las fórmulas presentadas.
Truncamiento
Error que queda al reemplazar una expresión exacta por una fórmula finita.
O(h^p)
Cota por C|h|^p para h suficientemente pequeño, con constante independiente de h.
Cuadratura
Aproximación de una integral mediante valores ponderados de la función.
Regla compuesta
Aplicar una regla local en varios subintervalos y sumar.
Precisión algebraica
Mayor grado para el que una cuadratura integra exactamente todos los polinomios de ese grado o menor.
Régimen asintótico
Escala donde el término de error dominante modela adecuadamente el comportamiento.

Ahora te toca a ti.

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

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