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Matemáticas para ingeniería

Sensibilidad, calibración y validación de modelos

Un modelo propone una regla; calibrarlo significa elegir sus parámetros usando datos. Antes de ajustar veremos qué cambia al mover cada parámetro y si los datos pueden distinguirlos. Después separaremos un buen ajuste de una predicción comprobada en condiciones nuevas. Un número devuelto por un optimizador todavía necesita interpretación, unidades y controles.

1. La entrada, el parámetro y el dato observado cumplen papeles distintos

Escribimos una predicción f(t; θ). t puede ser tiempo o una condición elegida, θ contiene parámetros desconocidos y y es una observación. Declaramos qué se mantiene fijo y qué se estima. Una diferencia puede venir de ruido, entradas inciertas o una familia de modelos inadecuada.

Cambiar θ conserva la familia propuesta. Cambiar la ley, por ejemplo pasar de una recta a una curva, modifica la estructura. Ninguno de esos cambios demuestra por sí solo que se haya encontrado la ley verdadera del fenómeno.

Poner nombre a los elementos de una predicción lineal

f(t; a, b)=at+b; t se mide en segundos y f en metros.

  1. Parámetros

    a tiene unidades m/s y b metros. t es la entrada, no otro parámetro de esta calibración.

  2. Evaluar

    Con a=2 m/s y b=1 m, en t=3 s la predicción es siete metros.
  3. Observar

    Si se midieron 7,2 m, existe una discrepancia de 0,2 m. No decide por sí sola si a está mal, b está mal o hubo ruido.

Resultado

Predicción y observación se conservan como cantidades distintas.

Lo comprobamos

No se cambian simultáneamente todos los elementos sin registrar qué pregunta se está haciendo.

Ajustar otra recta no equivale a cambiar a un modelo acelerado

Se empieza con f(t)=at+b.

  1. Misma familia

    Pasar de a=2, b=1 a a=2,1, b=0,9 sigue describiendo rectas.
  2. Otra estructura

    Añadir un término ct² permite curvatura y añade un parámetro con otras unidades.

  3. Decisión

    Más flexibilidad puede mejorar el ajuste disponible y también ajustar ruido. Se decide con información y evaluación adecuadas al uso previsto.

Resultado

Complejidad del modelo y valor de sus parámetros son decisiones diferentes.

Lo comprobamos

Un ajuste mejor en los datos usados no garantiza una predicción mejor fuera de ellos.

2. La sensibilidad deriva respecto del parámetro que estamos cambiando

La sensibilidad local es Sⱼ=∂f/∂θⱼ manteniendo el resto fijo.
Para perturbaciones pequeñas y diferenciabilidad, f(θ+δθ)≈f(θ)+Sδθ.

En un modelo lineal en parámetros esa relación puede ser exacta; en uno no lineal es una aproximación local.

La sensibilidad a la pendiente depende de dónde observamos
f(t; a, b)=at+b; b=1a pasa de 2 a 2,5012δa=0,5; δf=t·δaEn t=0: no cambia.En t=2: sube una unidad.
Se comparan las rectas uno más dos t y uno más dos coma cinco t en el intervalo cero a dos. Ambas comparten intercepto uno. El cambio de pendiente es un medio y la diferencia vertical es t por un medio, nula en cero y uno en t dos. Es una comparación exacta del modelo lineal, con t en el eje horizontal.

No se deriva respecto del tiempo si la pregunta es cambiar un coeficiente. La sensibilidad depende de la entrada en que se observa. Sus unidades son unidades de salida divididas por unidades del parámetro.

La pendiente importa más a tiempos más alejados del origen

f=at+b, con a de dos a 2,5 y b fijo en uno.

  1. Derivar

    Sₐ=t y Sᵦ=1.
  2. Cambiar

    δa=0,5 da δf=t·0,5 exactamente: cero en t=0 y uno en t=2.
  3. Distinguir

    La derivada temporal sería a, otro número y otra pregunta.

    En t=2 la sensibilidad a b sigue siendo uno.
Resultado

Una misma perturbación de a produce distinto efecto según dónde se mire.

Lo comprobamos

La exactitud de δf=Sδθ aquí procede de que f es lineal en a y b.

Una exponencial distingue tres derivadas diferentes

f(t; A, k)=Aexp(−kt).

  1. Parámetros

    ∂f/∂A=exp(−kt) y ∂f/∂k=−At exp(−kt).
  2. Tiempo

    ∂f/∂t=−Ak exp(−kt), que no es la sensibilidad respecto de k.
  3. Valores

    Con A=10, k=1/2, t=2, f=10/e, Sₖ=−20/e y derivada temporal −5/e.

    Para δk=0,01, el cambio local es aproximadamente −0,2/e; el exacto es (10/e)[exp(−0,02)−1].

Resultado

El factor t aparece al cambiar k y el factor k al cambiar t.

Lo comprobamos

La aproximación de primer orden mejora al reducir la perturbación, bajo la suavidad del modelo.

3. Comparar sensibilidades exige escalas y variaciones plausibles

Una sensibilidad relativa habitual es (θⱼ/f)(∂f/∂θⱼ) donde esa normalización sea significativa. Si f=0 puede no estar definida, y si θⱼ=0 no existe una variación relativa δθⱼ/θⱼ que se interprete de la misma manera. Se pueden usar escalas características no nulas declaradas.

La incertidumbre de una predicción depende de sensibilidad y de cuánto puede variar realmente cada parámetro. Además un cambio de unidad cambia el valor numérico de una derivada. No se ordena importancia comparando directamente números que llevan unidades diferentes.

Un parámetro mejor conocido puede aportar menos incertidumbre

f=a/b, con a=100 m y b=2 s; escalas de incertidumbre 0,1 m y 0,2 s.

  1. Derivadas

    f=50 m/s, Sₐ=1/b=0,5 s⁻¹ y Sᵦ=−a/b²=−25 m/s².
  2. Impactos locales

    Las magnitudes Sₐ·0,1 y |Sᵦ|·0,2 son 0,05 y 5 m/s, respectivamente.

  3. Normalizar

    Las sensibilidades relativas son +1 y −1 para estos valores no nulos, pero las incertidumbres relativas de a y b son muy diferentes. La propagación usada aquí es local.

Resultado

Importancia para incertidumbre no es solo tamaño de la derivada.

Lo comprobamos

No se presentan cinco metros por segundo como una cota exacta para cualquier cambio no lineal del denominador.

Las unidades pueden cambiar una sensibilidad por un factor sesenta

En la exponencial, A=10, k=0,5 s⁻¹ y t=2 s.

  1. Segundos

    Sₖ=−20/e respecto del número de k expresado por segundo.

  2. Minutos

    La misma tasa es 30 min⁻¹ y el mismo tiempo 1/30 min. La derivada respecto del nuevo número k es −1/(3e).

  3. Comparar

    La cifra es sesenta veces menor, pero una misma perturbación física de k también cambia de representación. El efecto de salida es el mismo al convertir ambos.

Resultado

Una diferencia numérica de sensibilidad puede proceder solo de la unidad.

Lo comprobamos

Para f(θ)=θ en θ=0, la razón θ/f sería 0/0: se informa sensibilidad absoluta uno o una escala externa justificada.

4. Mínimos cuadrados transforma residuos en un criterio declarado

Definimos residual rᵢ=yᵢ−f(tᵢ; θ).

Mínimos cuadrados minimiza la suma de rᵢ². Los residuos conservan unidades de salida; si se dividen por desviaciones típicas de medición, el criterio estandarizado puede ser adimensional.

Los pesos se justifican con el modelo de error o el objetivo, no se escogen para forzar un parámetro deseado. Los cuadrados penalizan discrepancias grandes y pueden ser sensibles a atípicos. Una familia no lineal puede tener varios mínimos o depender del punto inicial del algoritmo.

Una constante ajustada por cuadrados es la media de los datos

Modelo f=θ y observaciones [1;3;5].

  1. Criterio

    J=(1−θ)²+(3−θ)²+(5−θ)².
  2. Derivar

    J′=6θ−18 y J″=6>0.
    El mínimo único está en θ=3.
  3. Residuos

    Son −2,0,2 y la suma de cuadrados ocho. Su media cero se deduce del ajuste de un intercepto; no valida todas las hipótesis del error.

Resultado

La media aparece como solución de un problema concreto de optimización.

Lo comprobamos

Cambiar el criterio, el dominio o los pesos puede cambiar la solución.

Mediciones de distinta precisión no pesan igual en el modelo ponderado

Datos dos y ocho con desviaciones típicas conocidas uno y dos, respectivamente.

  1. Criterio

    Minimizar (2−θ)²+(8−θ)²/4: los pesos son uno y un cuarto.

  2. Resolver

    La media ponderada es [2+(1/4)·8]/[1+1/4]=16/5=3,2.
  3. Control

    El residual ponderado total es (2−3,2)+(1/4)(8−3,2)=0.

    La media sin ponderar sería cinco; responde a otra elección de precisión.

Resultado

La medición con menor desviación recibe más peso bajo estas hipótesis.

Lo comprobamos

Si las mediciones estuvieran correlacionadas se necesitaría revisar también la estructura de covarianza.

5. Identificar parámetros exige que los datos puedan distinguirlos

Si dos vectores de parámetros generan las mismas observaciones posibles en las condiciones usadas, no se distinguen con esos datos. Repetir esas condiciones puede reducir ruido sin resolver la ambigüedad estructural.

Muchos pares de parámetros pueden producir exactamente el mismo dato
Solo observamos ab=6246136ab(1,6) y (2,3)(3,2) y (6,1)Mismo producto; parámetros distintos.
En el cuadrante positivo se muestran cuatro pares sobre la curva b igual seis dividido entre a: uno seis, dos tres, tres dos y seis uno. Todos predicen el producto seis. Repetir mediciones del mismo producto puede reducir ruido sin identificar por separado ambos factores; hacen falta otras condiciones o información declarada.

La identificabilidad global pregunta por toda la familia admitida; la local, por un entorno. Una restricción física conocida puede descartar soluciones, pero se declara como información adicional. Un optimizador que devuelve un solo punto no demuestra unicidad.

Un producto observado no separa sus dos factores

El modelo predice y=ab y se conoce y=6.

  1. Pares

    (1,6),(2,3),(3,2) y (6,1) producen el mismo dato.

  2. Familia

    Para cualquier a no nulo puede elegirse b=6/a.
    Incluso restringir a, b>0 deja infinitos pares.
  3. Más réplicas

    Observar muchas veces ese mismo producto puede precisar su valor sin separar los factores. Hace falta otra relación o información de alguno.

Resultado

Los parámetros no son identificables por separado mediante este diseño.

Lo comprobamos

La curva de pares compatibles no representa variación de una trayectoria temporal.

Una sensibilidad local no nula no garantiza unicidad global

Modelo f(θ)=θ² y observación cuatro.

  1. Soluciones

    θ=2 y θ=−2 dan la misma salida.
  2. Local

    La derivada 2θ es no nula en ambos puntos; localmente el signo puede mantenerse y la función distinguir valores cercanos.

  3. Dominio

    Si el modelo físico sabe que θ>0, queda dos. Esa restricción procede del dominio, no de que la observación cuatro distinguiera por sí sola ambos signos.

Resultado

Un diagnóstico local y uno global responden preguntas diferentes.

Lo comprobamos

No se impone un signo después del ajuste sin justificar de dónde viene.

6. La matriz de sensibilidades muestra combinaciones poco observables en primer orden

Las filas de S corresponden a observaciones y las columnas a parámetros: Sᵢⱼ=∂f(tᵢ; θ)/∂θⱼ. Si una combinación de columnas se anula, ese cambio conjunto no altera salidas en primer orden. En el modelo lineal, rango completo de columnas permite mínimos cuadrados únicos.

En modelos no lineales, el rango aporta información local bajo regularidad y no asegura unicidad global. Una derivada cero aislada tampoco prueba no identificabilidad exacta. Además columnas casi dependientes pueden hacer una estimación muy sensible al ruido aunque el rango sea completo.

Los tiempos repetidos pueden observar solo una combinación

Modelo at+b; dos observaciones ambas en t=1.

  1. Matriz

    S tiene dos filas (1,1), así su rango es uno.

  2. Dirección invisible

    Aumentar a en δ y reducir b en δ no cambia a+b. Los datos repiten la misma combinación.

  3. Otro diseño

    Observar en t=0 y t=2 da filas (0,1) y (2,1), determinante −2 y rango dos.

    Pendiente e intercepto quedan separados en el modelo ideal.

Resultado

Más observaciones no equivale siempre a más direcciones de información.

Lo comprobamos

La conclusión de rango se refiere a este modelo lineal.

Derivada cero y falta de unicidad no son equivalentes

f(θ)=θ³, cerca de θ=0.

  1. Linealización

    f′(0)=0, de modo que el término lineal no detecta un pequeño cambio de θ.

  2. Exacto

    La función cúbica es estrictamente creciente: θ³=0 tiene única solución cero.

  3. Interpretar

    El cambio real es (δθ)³, de orden mayor. El diagnóstico lineal es degenerado y la inversión puede ser sensible, pero no existen por ello múltiples parámetros exactos.

Resultado

Una prueba basada en derivadas tiene un alcance que no se extiende sin más.

Lo comprobamos

Para una recta con tiempos separados solo por ε, la pendiente usa diferencia de datos dividida por ε y puede amplificar ruido aunque el rango sea dos.

7. Diseñar observaciones añade información; regularizar añade una preferencia

El diseño busca condiciones que separen efectos de parámetros. Por ejemplo, observar una recta en tiempos distintos informa más direcciones que repetir siempre el mismo. Además se evita hacer tan pequeña la separación que el ruido domine las diferencias.

Regularizar introduce una penalización, restricción o información previa. Puede estabilizar una estimación, pero no transforma esa preferencia en datos recién observados. Se conserva qué decisión vino de mediciones y cuál del criterio añadido.

Un dato inicial y otro posterior separan amplitud y tasa de decaimiento

f=Aexp(−kt), A>0; se observan f(0)=10 y f(2)=10/e.

  1. Amplitud

    En t=0 se obtiene A=10 sin dependencia de k.
  2. Tasa

    10exp(−2k)=10/e da k=1/2, en unidades coherentes.
  3. Diseño

    Repetir solo t=0 nunca habría identificado k.

    Con dos tiempos casi iguales, una pequeña diferencia de datos puede ser muy sensible al ruido.

Resultado

Las condiciones elegidas determinan qué combinaciones se pueden aprender.

Lo comprobamos

En una recta, separar tiempos por 0,001 amplifica un cambio de dato 0,001 en un cambio de pendiente uno; separarlos por uno daría cambio 0,001.

Una norma mínima puede escoger un punto de una familia de ajustes exactos

Los datos solo fijan a+b=6; se añade la preferencia de minimizar a²+b² entre esos ajustes.

  1. Ambigüedad

    (1,5),(2,4),(3,3) y muchos otros satisfacen el mismo dato.

  2. Preferencia

    a²+b²=(a+b)²/2+(a−b)²/2=18+(a−b)²/2.
  3. Elegir

    El mínimo añadido selecciona a=b=3.

    No demuestra que los datos originales observaran por separado ambos tres. Una penalización suave que permita perder ajuste sería otro problema que debe declararse.

Resultado

La regularización puede seleccionar una solución sin resolver la falta original de información.

Lo comprobamos

Se comprueba cómo cambia la conclusión al cambiar esa preferencia cuando el uso lo requiera.

8. La validación contrasta predicciones sin volver a elegir parámetros con esos datos

Los parámetros se eligieron para ajustar ciertas observaciones. Su error en ellas no es una evaluación independiente del rendimiento fuera de ese ajuste. Se reserva evidencia adecuada a la predicción prevista y no se la reutiliza para modificar el modelo y seguir llamándola independiente.

Para predecir el futuro, una separación cronológica suele reflejar mejor la disponibilidad de información que mezclar tiempos indiscriminadamente. También las transformaciones aprendidas, como una normalización, se ajustan usando la información permitida en esa fase.

Dos puntos bien ajustados pueden predecir mal un tercero

Datos de ajuste (t, y)=(0,1) y (1,3); se ajusta una recta.

  1. Ajustar

    La recta es f=2t+1 y reproduce exactamente los dos datos.

  2. Evaluar

    En una observación reservada t=2 se midió diez.

    La predicción es cinco y el residual observado menos predicho es cinco.

  3. Conclusión

    Error de ajuste cero no garantizó la nueva predicción. La discrepancia invita a revisar modelo, datos y uso previsto; no se oculta reajustando sobre ese dato y contando la misma prueba como nueva.

Resultado

La evidencia reservada contesta otra pregunta que la optimización original.

Lo comprobamos

Si se usa para escoger otro modelo, se necesita reconocer ese uso y preservar otra evaluación final adecuada.

Un dato futuro puede colarse mediante una transformación previa

Para una tarea de predicción futura, el entrenamiento conoce entradas uno y tres; después aparecerá una entrada diez.

  1. Solo entrenamiento

    La media aprendida para centrar esas dos entradas es dos.

  2. Mezclar futuro

    Si se calcula con las tres, la media pasa a 14/3 y la transformación del entrenamiento ya depende del conjunto futuro.

  3. Procedimiento

    Se guarda la transformación obtenida con información de entrenamiento y se aplica después a nuevas entradas. La comparación se diseña según lo que realmente estará disponible al predecir.

Resultado

La separación de evidencia incluye las decisiones de preparación de datos.

Lo comprobamos

El ejemplo muestra disponibilidad de información; no afirma que centrar de otra forma mejore siempre una cifra de error.

9. Los residuos y la incertidumbre revelan más que una media de error

Se miran residuos frente a tiempo, entrada y predicción: tendencias, dispersión cambiante o dependencia pueden señalar supuestos que revisar. Una media cero no descarta esas estructuras, especialmente si el ajuste de intercepto ya fuerza esa propiedad.

Una media residual cero no descarta estructura sin explicar
Media cero; patrón por revisar10−2−101Tiempo: tres observaciones1−2+1=0La media no describe todo el patrón.
Para tiempos menos uno, cero y uno, los residuos observado menos predicho son uno, menos dos y uno. Su media es cero y la mejor recta para esos datos es cero, pero los tres puntos muestran una forma que invita a revisar curvatura. No se une con una curva que pretenda representar observaciones no realizadas ni se concluye un modelo verdadero solo por esos tres puntos.

Para perturbaciones de parámetros con covarianza Σ, una propagación lineal usa SΣSᵀ. Es exacta para una salida lineal de esos parámetros; en modelos no lineales es una aproximación local. La incertidumbre de una media predicha y la de una nueva medición también se distinguen.

Media cero puede coexistir con un patrón curvo

En tiempos −1,0,1, los residuos son 1,−2,1.

  1. Centro

    Su suma es cero.

  2. Ajuste lineal

    También Σtᵢrᵢ=−1+1=0.

    Para esos datos, la mejor recta es cero y la suma de cuadrados seis.

  3. Patrón

    Los puntos sugieren revisar una curvatura no representada. Una parábola podría pasar por ellos, pero tres puntos no demuestran que esa sea la ley verdadera; se necesita más evidencia y validación.

Resultado

El gráfico conserva los datos disponibles y evita fabricar puntos intermedios.

Lo comprobamos

Una media residual nula puede ser consecuencia algebraica del ajuste, no una prueba de que el modelo esté completo.

Una covarianza entre parámetros cambia la incertidumbre de predicción

Modelo adimensional f=at+b; covarianza de parámetros con filas (0,04;−0,01) y (−0,01;0,09). Evaluar en t=2.

  1. Sensibilidad

    S=(2,1).
    La varianza propagada es 2²·0,04+0,09+2·2·(−0,01)=0,21.
  2. Correlación

    Omitir el término cruzado daría 0,25. La covarianza negativa reduce aquí el tamaño del cambio conjunto.

  3. Nueva observación

    Si además una nueva medición añade ruido independiente de varianza 0,16, la varianza predictiva total es 0,37. No se presenta la incertidumbre de la media como si ya incluyera ese ruido.

Resultado

La fórmula especifica qué incertidumbres se propagan y cómo dependen.

Lo comprobamos

En una salida no lineal esta cuenta necesitaría controlar la aproximación local o usar otro método adecuado.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Sensibilidad de una recta

f(t;a,b)=at+b. Calcula sensibilidades en t=3.

  1. Modelo

    f(t; a, b)=at+b.

    Se pide variar a o b manteniendo t y el otro parámetro fijos.

  2. Respecto de a

    ∂f/∂a=t.
  3. Respecto de b

    ∂f/∂b=1.
  4. Instante

    En t=3, Sₐ=3 y Sᵦ=1.
  5. Perturbación

    Aumentar a en 0,1 cambia f exactamente en 3·0,1=0,3 a ese instante, si b se mantiene.

  6. Control

    La derivada temporal sería a, otra operación. Las sensibilidades llevan unidades de salida divididas por las del parámetro correspondiente.

Resultado

Sₐ=3 y Sᵦ=1.

Lo comprobamos

Aumentar a en 0,1 cambia f en 0,3 a ese instante, manteniendo b.

EJEMPLO RESUELTO 2

Parámetros que no se distinguen

y=ab para todas las observaciones. Se mide y=6. ¿Son únicos a y b?

  1. Observación

    El modelo solo produce y=ab y todas las observaciones disponibles miden ese producto seis.

  2. Dos ajustes

    a=1, b=6 y a=2, b=3 ya dan la misma salida.
  3. Familia

    Para todo a no nulo, elegir b=6/a conserva y=6.
  4. Conclusión

    No se identifican por separado a y b mediante esos datos.

  5. Repetir

    Más mediciones de ese mismo producto pueden reducir su ruido, pero no distinguen todos esos pares exactos.

  6. Qué falta

    Una relación adicional, otro tipo de observación o información externa declarada puede separar parámetros. Seleccionar un par con un optimizador o una preferencia no equivale a haberlo observado.

Resultado

No son identificables por separado con estos datos.

Lo comprobamos

Para cualquier a≠0 puede elegirse b=6/a.

Los símbolos que hemos usado

θ
Vector de parámetros del modelo.
Sᵢⱼ
Sensibilidad de la salida i respecto del parámetro j.
rᵢ=yᵢ−fᵢ(θ)
Residual observado menos predicho, convención usada aquí.
Calibración
Elección de parámetros a partir de datos y un criterio de ajuste.
Identificabilidad
Posibilidad de distinguir valores de parámetros mediante las observaciones disponibles.
Validación
Contraste de predicciones y supuestos con evidencia adecuada al uso del modelo.
Regularización
Información o penalización adicional que estabiliza o restringe el ajuste.

Ahora te toca a ti.

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

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