Una tabla nos da algunos puntos, pero no dice por sí sola qué ocurre entre ellos. Podemos construir una curva que pase exactamente por todos o buscar una recta que se acerque al conjunto. Son tareas distintas. Empezaremos con dos puntos y acabaremos entendiendo qué puede garantizar un ajuste y qué necesita comprobarse con nuevos datos.
Si necesitas repasar:
1. Elegir entre interpolar y ajustar depende de la pregunta y de los datos
Un nodo xᵢ es una entrada conocida; yᵢ es el valor asociado.
Ajustar elige una familia y un criterio de discrepancia; por ejemplo, mínimos cuadrados permite separaciones verticales y minimiza la suma de sus cuadrados.
Si los valores son exactos, reproducirlos puede ser útil. Si contienen ruido, obligar a pasar por todos puede perseguir ese ruido. Ni una línea ni una curva son siempre mejores: declaramos el significado de los datos, la familia elegida y el lugar donde queremos predecir. Suavidad visual no demuestra exactitud ni causalidad.
Dos puntos permiten construir una recta exacta dentro de esa familia
La tabla contiene (1;3) y (3;7). Queremos una recta.
Cambio
La salida sube cuatro cuando la entrada sube dos: pendiente 4/2=2.
Encontrar el término fijo
p(x)=a+2x; p(1)=3 da a=1.Comprobar
p(x)=1+2x reproduce 3 y 7 en los nodos dados.
La recta interpolante es 1+2x.
Se ha fijado la familia de rectas; no se ha deducido que la ley real sea necesariamente lineal.
Tres datos pueden ser incompatibles con una recta exacta
Los puntos son (0;1), (1;2) y (2;2).
Primer par
Una recta por los dos primeros tendría pendiente uno y ecuación 1+x.
Tercer dato
Esa recta predice tres en x=2, pero el dato vale dos.
Opciones
Podemos interpolar con una cuadrática, o ajustar una recta aceptando residuos. El criterio debe elegirse antes de interpretar la respuesta.
No hay una recta que pase exactamente por los tres puntos.
El dibujo compara ambas tareas; después calcularemos sus fórmulas.
2. Los nodos distintos determinan un polinomio único de grado acotado
Dados n+1 nodos distintos, existe un único polinomio de grado como máximo n que reproduce sus valores. La siguiente sección construirá uno. Para la unicidad, si p y q cumplieran los datos, p−q tendría n+1 raíces distintas y grado a lo sumo n. Un polinomio no nulo no puede tener más raíces distintas que su grado; por tanto p−q=0.
Como máximo no significa exactamente: los datos pueden quedar en una recta o una constante. Repetir un nodo no añade una condición independiente si el valor coincide; si los valores difieren, la interpolación de una función es imposible. Dar además derivadas conduce a otra tarea, como Hermite, con condiciones diferentes.
Tres datos pueden necesitar solo grado uno
Nodos 0,1,2 y valores 2,5,8.
Ver el patrón
Cada aumento unitario añade tres.
Construir
p(x)=2+3x reproduce los tres valores.Unicidad y grado
El teorema asegura un único polinomio de grado ≤2.El que encontramos tiene grado uno, así también es ese único candidato.
El grado real puede ser menor que la cota garantizada.
Otro candidato de grado ≤2 no podría coincidir en los tres nodos sin ser idéntico.
Un nodo repetido puede significar contradicción o redundancia
Comparamos los datos (1;4),(1;5) y los datos (1;4),(1;4).
Valores distintos
La primera lista exigiría p(1)=4 y p(1)=5: imposible para una función.
Valores iguales
La segunda lista repite una sola condición p(1)=4.
Falta de unicidad en rectas
Todas las rectas p(x)=4+c(x−1), con c arbitrario, satisfacen esa condición repetida.
Contamos nodos distintos y condiciones independientes.
No usamos el número de filas de una tabla como si siempre fueran nodos diferentes.
3. Lagrange fabrica funciones que activan un solo dato cada vez
Cada denominador es no nulo por tener nodos distintos. En su propio nodo todos los factores valen uno; en otro nodo uno de los numeradores vale cero. Así p(x)=ΣᵢyᵢLᵢ(x) conserva exactamente el dato que corresponde en cada nodo y demuestra existencia.
La misma curva puede escribirse de otras formas. La baricéntrica usa wᵢ=1/∏ⱼ≠ᵢ(xᵢ−xⱼ) y p(x)=[Σwᵢyᵢ/(x−xᵢ)]/[Σwᵢ/(x−xᵢ)] fuera de los nodos; en un nodo devolvemos directamente su yᵢ, evitando divisiones por cero. Las diferencias divididas de Newton organizan una construcción incremental. Cambiar de representación no cambia el polinomio exacto, pero sí puede cambiar coste y redondeo.
Construir las tres piezas antes de sumarlas
Nodos 0,1,2; valores 1,2,2.
Bases
L₀=(x−1)(x−2)/2; L₁=−x(x−2); L₂=x(x−1)/2.Pesar
p=L₀+2L₁+2L₂.Al desarrollar queda 1+3x/2−x²/2.
Evaluar entre nodos
p(3/2)=1+9/4−9/8=17/8=2,125.Comprobar nodos
p(0)=1, p(1)=2 y p(2)=2.
El interpolante es la curva roja del dibujo inicial.
No sumamos las bases sin multiplicarlas por los valores correspondientes.
Evaluar el mismo polinomio sin expandir potencias
Usamos forma baricéntrica para los mismos datos en x=3/2.
Pesos
w₀=1/2, w₁=−1 y w₂=1/2.Denominador
(1/2)/(3/2)−1/(1/2)+(1/2)/(−1/2)=1/3−2−1=−8/3.Numerador
Los valores 1,2,2 dan 1/3−4−2=−17/3.Dividir
(−17/3)/(−8/3)=17/8, igual que antes.
Otra representación reproduce el mismo valor exacto.
En x=1 usaríamos directamente el dato dos, no términos con denominador cero.
Añadir un nodo mediante diferencias divididas
Reescribimos los datos anteriores en forma de Newton.
Primeras diferencias
f[0,1]=(2−1)/(1−0)=1; f[1,2]=(2−2)/(2−1)=0.Segunda diferencia
f[0,1,2]=(0−1)/(2−0)=−1/2.Construir
p(x)=1+1·x−(1/2)x(x−1), que se desarrolla como 1+3x/2−x²/2.
La nueva contribución tiene factores que se anulan en los nodos previos.
Una diferencia dividida usa también diferencias entre nodos, no solo entre sus valores.
4. El error entre nodos necesita información sobre la función verdadera
Si f tiene n+1 derivadas continuas en un intervalo que contiene los nodos y x, entonces f(x)−p(x)=f⁽ⁿ⁺¹⁾(ξ)∏ᵢ(x−xᵢ)/(n+1)! para algún ξ de ese intervalo. Si x coincide con un nodo el error es cero directamente. Para otro x, restamos al error un múltiplo de ∏(t−xᵢ) que lo anule también en x; aplicar Rolle n+1 veces produce la fórmula.
Una cota necesita controlar tanto la derivada como el producto de distancias. Aumentar grado en nodos equiespaciados puede aumentar oscilaciones cerca de los extremos. Nodos adaptados, interpolación por tramos o splines ofrecen otras opciones bajo hipótesis propias. Fuera del intervalo observado el producto puede crecer: extrapolar requiere un control adicional.
Comprobar un resto con una cuadrática conocida
Interpolamos f(x)=x² en los nodos 0 y 2.
Interpolante
Los valores son cero y cuatro: p(x)=2x.Error en el centro
f(1)−p(1)=1−2=−1.Fórmula
f″=2 y (1−0)(1−2)=−1; el resto es (2/2)(−1)=−1, exactamente.
La cuerda sobreestima x² entre estos nodos.
En todo [0,2], |x(x−2)|≤1, así el error absoluto está acotado por uno.
El mismo producto explica un error mayor fuera de los nodos
Interpolamos f(x)=x³ en 0,1,2.
Polinomio
p(x)=3x²−2x reproduce 0,1,8.Interior
En x=1/2, f−p=1/8−(−1/4)=3/8.Como f‴/3!=1, coincide con (1/2)(−1/2)(−3/2).Exterior
En x=3, f−p=27−21=6, igual a 3·2·1.
Reproducir todos los nodos no hace pequeño el error en cualquier otro lugar.
La fórmula es aplicable porque conocemos la función y su regularidad en todo el intervalo utilizado.
5. Una familia lineal en coeficientes se convierte en una matriz de datos
En cada nodo evaluamos las funciones base: Aᵢⱼ=φⱼ(xᵢ). El vector b contiene los datos yᵢ. Entonces Ac contiene las predicciones y r=Ac−b sus residuos, con este convenio de signo.
Lineal en parámetros no significa que p sea una recta respecto de x: a+b x² sigue siendo lineal en a, b. Una ponderación minimiza Σwᵢrᵢ², con pesos positivos declarados; equivale a multiplicar filas por √wᵢ. Regularizar o imponer restricciones cambia la tarea. No introducimos estos cambios después para justificar una curva ya elegida.
Leer qué representa cada fila y columna
Modelo a+bx para los datos (0;1),(1;2),(2;2).
Primera columna
La función base constante vale uno en los tres nodos.
Segunda columna
La función base x toma 0,1,2.
Así A=[[1,0],[1,1],[1,2]] y b=(1;2;2).Probar coeficientes
Con c=(1;1), Ac=(1;2;3) y r=(0;0;1), por lo que J=1.
La matriz transforma coeficientes en predicciones.
La tercera fila explica exactamente dónde falla esa recta candidata.
Ponderar datos cambia qué error se intenta reducir
Ajustamos una constante a los valores 2 y 6, con pesos 1 y 3.
Objetivo
J(c)=(c−2)²+3(c−6)².Derivar
J′=2(c−2)+6(c−6)=8c−40, así c=5.Mínimo
J″=8>0 y J(5)=9+3=12.La media ordinaria cuatro minimizaría otro objetivo.
La constante ponderada es cinco.
Mayor peso en el segundo dato penaliza más separarse de seis.
6. Las ecuaciones normales expresan que el residuo es perpendicular a las columnas
Esto justifica el mínimo global, no solo un punto crítico.
Si las columnas de A son independientes, ‖Ad‖²>0 para todo d≠0 y los coeficientes son únicos. Con rango deficiente la predicción óptima Ac sigue siendo la única proyección de b sobre el espacio columna, pero distintos coeficientes pueden producirla. La SVD permite estudiar el rango y escoger, por ejemplo, la solución de norma mínima.
Calcular la recta azul del dibujo
Ajustamos a+bx a (0;1),(1;2),(2;2).
Sumas
AᵀA=[[3,3],[3,5]] y Aᵀb=(5;6).Sistema
3a+3b=5; 3a+5b=6.Restar da 2b=1; después a=7/6.Residuos
Las predicciones son 7/6,5/3,13/6; los residuos 1/6,−1/3,1/6.
Control
Suman cero y su producto con (0;1;2) también: −1/3+2/6=0.J=1/36+1/9+1/36=1/6.
La recta de mínimos cuadrados es 7/6+x/2.
Las dos ortogonalidades comprueban las dos ecuaciones normales.
Coeficientes no únicos pueden dar una única predicción
A=[[1,1],[1,1]], b=(2;4).
Reducir la tarea
Ambas predicciones son s=c₁+c₂.Minimizamos (s−2)²+(s−4)².
Óptimo
La derivada 4s−12 se anula en s=3.La predicción es (3;3), con residuos (1;−1).
Familia de coeficientes
Todos (c₁; c₂) con suma tres sirven. Entre ellos, la norma euclídea mínima se alcanza en (3/2;3/2), pues c₁²+c₂²=9/2+(c₁−c₂)²/2.
La predicción es única aunque los parámetros no lo sean.
No invertimos AᵀA: aquí es singular.
7. Una caracterización exacta no siempre es la mejor receta numérica
Con rango columna completo, los valores singulares σⱼ de A son positivos y los autovalores de AᵀA son σⱼ².
Formar las ecuaciones normales puede empeorar la sensibilidad al redondeo. QR y SVD permiten resolver mínimos cuadrados sin formar ese producto; no eliminan el condicionamiento inherente de los datos.
En QR reducida, A=QR con columnas de Q ortonormales y R triangular invertible; resolver Rc=Qᵀb obtiene el ajuste. La parte de b perpendicular a las columnas de Q no puede representarse con Ac. Centrar y escalar columnas puede mejorar su representación, pero los coeficientes deben interpretarse al volver a las variables originales.
Ver el cuadrado de la condición en una diagonal
A=diag(1;0,001), con norma euclídea.
Condición inicial
Las singularidades son 1 y 0,001, así κ₂(A)=1000.Producto
AᵀA=diag(1;0,000001), cuya condición es 1000000.Comparar
1000000=1000².Una QR de esta matriz tiene Q=I y R=A; puede evitar formar el cuadrado, aunque la sensibilidad original permanece.
La formulación de resolución puede introducir deterioro adicional.
No se promete que QR convierta el problema en bien condicionado.
Centrar las entradas hace visibles columnas ortogonales
Nodos x=1000,1001,1002 y valores 1,2,3; usamos z=x−1001.
Nueva matriz
Los nodos z son −1,0,1. Para α+bz, las columnas (1;1;1) y (−1;0;1) tienen producto cero.
Ajuste
La recta α=2, b=1 reproduce los datos; la matriz normal centrada es diag(3;2).
Volver
2+(x−1001)=x−999: el término fijo original es a=−999, no dos.
La misma recta tiene coeficientes distintos según el origen elegido.
Centrar no cambia los valores predichos ni convierte observaciones inciertas en exactas.
8. Un ajuste se evalúa también donde no fue construido
El error en los datos usados se llama error de entrenamiento. Añadir parámetros puede reducirlo sin mejorar la predicción. Una validación independiente reserva observaciones que no participaron en elegir la familia ni ajustar coeficientes. Incluso esa validación respalda un ámbito de uso; no demuestra una ley universal.
Revisamos además unidades, dominio y restricciones físicas. Un interpolante con residuo cero solo reproduce los nodos. Existen infinitas funciones que coinciden en una tabla finita. Una extrapolación se presenta condicionada al modelo, especialmente cuando cambia el régimen físico o aumenta la incertidumbre.
Una recta perfecta en entrenamiento falla en un dato intermedio
El fenómeno verdadero de este ejemplo es f(x)=x². Solo entrenamos con (0;0) y (1;1).
Ajustar
La recta p(x)=x tiene residuo cero en ambos datos.
Validación reservada
En x=1/2, la función vale 1/4 y la recta predice 1/2.Error nuevo
El error absoluto es 1/4. Con los dos datos solos también coincidiría cualquier x+Kx(x−1), pero daría otra predicción intermedia.
Residuo cero en una tabla no certifica la ley entre sus filas.
El valor verdadero se ha declarado para construir un control independiente, no inferido de la misma tabla.
Las unidades y una restricción física pueden frenar la extrapolación
Un depósito tiene volumen V(t)=5−2t litros durante un vaciado inicial; t se mide en minutos.
Datos del régimen
En t=0,1,2 el modelo da 5,3,1 litros.Extrapolar sin revisar
En t=3 daría −1 litro, incompatible con volumen no negativo.
Dominio útil
La fórmula de vaciado puede describir hasta t=2,5, cuando se vacía. Después hace falta otro régimen, como volumen cero si no entra agua.
Un ajuste numérico debe respetar el significado de sus variables.
No extendemos automáticamente una recta a tiempos donde sus supuestos han dejado de valer.
Ahora lo resolvemos de principio a fin.
EJEMPLO RESUELTO 1
Interpolar dos mediciones
La recta pasa por (0,1) y (2,5). Halla p(1).
Fijar la familia
Buscamos p(x)=a+bx por los nodos distintos 0 y 2.Primer dato
p(0)=1 da a=1.Segundo dato
p(2)=5 da 1+2b=5, así b=2.Recta
p(x)=1+2x.Evaluar
p(1)=1+2=3.Comprobar
p(0)=1 y p(2)=5.Es la única recta interpolante; la tabla sola no determina cualquier función.
p(1)=3.
p(0)=1 y p(2)=5 recuperan ambos datos.
EJEMPLO RESUELTO 2
Ajustar una constante
Ajusta por mínimos cuadrados una constante a los datos 1,2,6.
Modelo
La misma constante c predice los datos 1,2,6.
Objetivo
J(c)=(c−1)²+(c−2)²+(c−6)².Derivar
J′(c)=2(c−1)+2(c−2)+2(c−6)=6c−18.Resolver
6c−18=0 da c=3; J″=6>0 asegura el único mínimo global.Residuos
Predicción menos dato produce 2,1,−3; sus cuadrados suman 14.
Control
2+1−3=0: el residuo es ortogonal a la columna de unos, como exigen las ecuaciones normales.
La constante ajustada es 3.
Los residuos 2,1,−3 suman cero, condición de ortogonalidad a las constantes.
Los símbolos que hemos usado
- Nodo x_i
- Abscisa donde se conoce o prescribe un valor y_i.
- Interpolante
- Función de una familia que reproduce exactamente los datos.
- L_i(x)
- Base de Lagrange que vale uno en x_i y cero en los otros nodos.
- Residuo de ajuste
- Diferencia entre predicción del modelo y dato observado.
- Mínimos cuadrados
- Minimizar la suma de cuadrados de los residuos, o una versión ponderada declarada.
- Rango de A
- Dimensión del espacio generado por sus columnas.
- Extrapolación
- Usar el modelo fuera del intervalo cubierto por los datos.
Ahora te toca a ti.
Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.
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