Teaching Methods & Materials > Mathematics">
Interpolación
Interpolación
Interpolación
a la que se denomina función interpolante de dichos puntos. A los puntos xk se les llama
nodos. Algunas formas de interpolación que se utilizan con frecuencia son la interpolación
lineal, la interpolación polinómica (de la cual la anterior es un caso particular), la
interpolación por medio de spline o la interpolación polinómica de Hermite.
Interpolación Lineal [editar]
INTERPOLACIÓN
INTRODUCCIÓN
En numerosos fenómenos de la naturaleza observamos una cierta regularidad en la
forma de producirse, esto nos permite sacar conclusiones de la marcha de un fenómeno en
situaciones que no hemos medido directamente.
La interpolación consiste en hallar un dato dentro de un intervalo en el que
conocemos los valores en los extremos.
La extrapolación consiste en hallar un dato fuera del intervalo conocido, pero debe
tenerse en cuenta que esté próximo a uno de sus extremos, pues en otro caso no es muy
fiable el resultado obtenido.
1. Planteamiento general
El problema general de la interpolación se nos presenta cuando nos dan una función
de la cual solo conocemos una serie de puntos de la misma:
(xo, yo), (x1, y1),........., (xn, yn)
y se pide hallar el valor de un punto x (intermedio de x0 y xn) de esta función.
El de la extrapolación cuando el punto que queremos considerar está a la derecha de
xn o a la izquierda de xo.
Se desea, por tanto encontrar una función cuya gráfica pase por esos puntos y que
nos sirva para estimar los valores deseados.
El tratamiento para ambos problemas es similar se utilizarán los polinomios
“interpoladores”, pero en el caso de la extrapolación el punto debe estar muy próximo a uno
de los extremos.
2. Interpolación. Elección de la interpolación más adecuada.
Consideremos una función de la cual solo conocemos una serie de puntos de la
misma:
(xo, yo), (x1, y1), .............., (xn, yn) [1]
Deseamos encontrar la expresión analítica de dicha función para poder estudiarla en
otros puntos.
Ahora bien, por n+1 puntos pasan infinitas funciones, ¿con cuál de ellas nos quedamos? Lo
más lógico es recurrir a la más sencilla. La familia de funciones más sencillas es la de los
polinomios, por tanto buscaremos el polinomio de menor grado que pase por los n+1 puntos dados.
La función polinómica de menor grado que pasa por los puntos [1] es en principio
de grado n: y= anxn+............+a1x+ao
Y se obtiene resolviendo el sistema de n+1 ecuaciones con n+1 incógnitas (sistema
que tiene solución única ya que el determinante de la matriz de los coeficientes es de
Vandermonde y por lo tanto distinto de cero)
Se le llama polinomio interpolador correspondiente a esos puntos. Una vez
obtenida su expresión dando valores en él se pueden encontrar nuevos puntos de la función.
Los resultados obtenidos son naturalmente estimaciones aproximadas.
La interpolación se dirá lineal cuando sólo se tomen dos puntos y cuadrática
cuando se tomen tres.
En este tema nos limitaremos a estos dos tipos de interpolación.
Ejemplo 1. De una función conocemos tres puntos (-3, 5), (1, -1) y (3, 11). ¿qué podemos decir de
esa función cuando x=0 y cuando x=10?
Solución
Calculamos el polinomio interpolador que será de 2º grado
y= ax2 + bx +c, que pase por los tres puntos ,
Se verifica:
5=a(-3)2+b(-3)+c por pasar por el punto (-3, 5)
-1=a+b+c por pasar por el punto (1, -1)
11=a.3 +b.3+c
2
por pasar por el punto (3, 11)
Resolviendo el sistema que se nos plantea nos queda:
y= P(x)=
Cuando x=0, P(0)=-13/4; si x=10, P(10)=527/4
El primero, una interpolación, es probablemente una buena aproximación del valor de la función
desconocida, en el punto 0.
Sin embargo, el valor 527/4 es probable que se parezca poco al valor de la función en el punto 10,
pues es el resultado de una extrapolación muy lejana.
No se pueden dar reglas generales para decidir cuál es la interpolación más adecuada,
pues no siempre al aumentar el grado del polinomio aumenta la precisión en la estimación.
Depende siempre del caso concreto a estudiar. A veces la naturaleza del problema nos da
una idea de cuál es la interpolación (o extrapolación) más conveniente. Por ejemplo si los
incrementos de la función son proporcionales a los de la variable independiente (o casi
proporcionales) podremos usar la interpolación lineal.
Ejercicio 1. Se conoce la población de cierto municipio, para el 31 de diciembre en los años
que se indican:
años 1950 1960 1970 1980 1990
Población 827 1058 1304 1582 1836
Efectuar una representación gráfica y observar cuál sería en este caso la interpolación más
conveniente.
Ejercicio 2. Un investigador ha observado que la vida media de una bacteria varía con la
temperatura media en la siguiente forma
Temperatura 6º 9º 12º 15º 16º
Vida media 104,2 140,4 181,7 220,2 257,6
Se pide:
a) Efectuar una representación gráfica, tomando en abscisas las temperatura s y en
ordenadas la vida media.
b) Calcular las variaciones de la función “vida media” al variar la temperatura.
c) ¿Los resultados anteriores indican que la vida media varía linealmente con la
temperatura?
d) En caso afirmativo, mediante interpolación lineal, obtener la vida media para las
siguientes temperaturas: 8º, 10,2º, 14,5º y 15,3º
Ejercicio 3. En una facultad universitaria de nueva creación el número de alumnos
matriculados evolucionó de la siguiente forma:
Años 1 2 3 4 5
Alumnos matriculados 425 640 941 2790 6123
a) Efectuar una representación gráfica tomando como abscisas los años y como ordenadas
el nº de alumnos.
b) ¿Hubiese sido una “buena idea” obtener el número de alumnos matriculados en el tercer
curso mediante la interpolación lineal?
c) ¿Cuál crees que sería la más conveniente?
3. Interpolación lineal
Como dijimos, cuando las variaciones de la función son proporcionales (o casi
proporcionales) a los de la variable independiente se puede admitir que dicha función es
lineal y usar para estimar los valores la interpolación lineal..
1 1,414 1,732
2 1
(Sol. 0,7514)
4. De una función f(x) se conocen los valores f(1)=0, f(2)=4, f(5)=52. Hallar el
correspondiente polinomio cuadrático de interpolación. Estimar el valor de la función en
x=3 y en x=6. (Sol. P(x) = 3x2 –5x +2, P(3)=14 y P(6)=80)
5. Obtener la ecuación de la interpolación cuadrática que pasa por los puntos A(0,4),
B(1,3) y C(-1, 9). (Sol. P(x)= 2x2 – 3x + 4)
6. El aumento de líneas telefónicas instaladas en España durante los tres últimos
años fue:
199 199 199
Años
5 6 7
Millones de 8,45 8,88 9,64
líneas 7 2 0
INTERPOLACIÓN CUADRÁTICA
Índice
El error en el ejemplo 3.1 se debe a que se aproxima a una curva mediante una
linea recta. Por consiguiente, una estrategia que mejora la aproximación es la de
introducir cierta curvatura en a linea que conecta a los puntos. Si se dispone de
tres puntos lo anterior se puede llevar a cabo con un polinomio de segundo orden
(llamado tambien polinomio cuadrático o parábola). Una manera conveniente
para este caso es:
(4
)
o, agrupar términos:
(6
)
en donde:
(7
)
De esta manera, las ecuaciones (1) y (4) son fórmulas alternativas equivalentes
del único polinomio de segundo grado que une a los tres puntos.
Se puede usar un procedimiento simple para determinar los valores de los
coeficientes. Para b0, se usa la ecuación (4) con X = X0, y se obtiene
b0 = (8
f(X0) )
(9
)
Y por último, las ecuaciones (8) y (9) se sustituyen en la ecuación (4), y se evalua
ésta en X = X2 y se obtiene:
(10
)
X1 = f (X1) = 1.3862
4 944
X2 = f (X2) = 1.7917
6 595
Interpolación Lineal
15 Marzo, 2007
Un ejemplo:
Tenemos los puntos (1,6) y (5,2), y queremos hallar el valor de y para x=3. Sustituyendo
en la fórmula queda:
II. Causas
4. Mal diseño, mala seleccion del material.
5. Imperfecciones del material , del proceso y/o de su fabricación.
6. Errores en el servicio y en el montaje.
7. Errores en el control de Calidad, mantenimiento y reparación.
8. Factores ambientales, sobrecargas.
Generalmente una falla es el resultado de uno o mas de los anteriores
factores.
Deficiencia en el Diseño
9. Errores al no considerar adecuadamente los efectos de las
entallas.
10. Insuficientes criterios de diseño por no tener la información
suficiente sobre los tipos y magnitudes de las cargas
especialmente en piezas complejas ( No se conocen los esfuerzos
a los que estan sometidos los elementos)
11. Cambios al diseño sin tener en cuenta los factores elevadores
de los esfuerzos.
IV Inspección de campo
La inspección de falla en campo se debe hacer tan pronto como sea posible. Se
deben tomar fotografias (a color) y hacer anotaciones de todos los detalles que se
observen.
En una inspección se debe determinar :
24. Localización de las piezas rotas respecto a cada una de las
otras.
25. Identificación del origen de la falla.
26. Orientación y magnitud de los esfuerzos.
27. Dirección de propagación de la grieta y secuencia de la falla.
28. Presencia de oxidación, colores de temperatura o productos de
corrosión.
29. Presencia de defectos obvios en el material, concentración de
esfuerzos, etc.
30. Presencia de peligros secundarios no relacionados con la falla
principal.
Además es importante hablar con los operarios, ya que pueden suministrar datos o
pistas importantes para el posterior análisis, indagar por la presencia de ruidos,
vibraciones, o temperaturas anormales.
Es importante escoger las muestras del material y de los fluidos presentes,
preservando muy bién las superficies de fractura para hacer pruebas de laboratorio.
La recopilación ordenada de los datos y observaciones hechas en el sitio del
accidente permitiran hacer un acertado análisis.
V Recopilación de información
Se debe tener una historia de cada pieza o equipo (esto generalmente se hace en el
programa de mantenimiento). De ser posible se debe examinar esta información
antes de visitar el sitio del accidente. Esto permitirá hacer una estimación en forma
mas inteligente.
La información que se necesita es :
31. Nombre de la pieza, identificación, propietario, usuario,
fabricante.
32. Función que cumple.
33. Datos de la historia de servicio.
34. Discusión u opinión de los operarios que la han utilizado.
35. Material de fabricación.
36. Procesos de manufactura y métodos de fabricación.
37. Tratamientos térmicos aplicados.
38. Documentación de los Standares y técnicas usadas en la
inspección.
39. Fecha y tiempo de falla, con temperatura y condiciones
ambientales.
40. Documentación de los Standares de diseño y cálculos
modificados en el diseño.
41. Conjunto de planos, incluyendo cualquier modificación hecha
en manufactura o en montaje.
VI Inspección de la Falla
Consiste en la observación de la superficie de la fractura y de la pieza fallada en
general. Para tratar de hallar el tipo u origen de la falla se debe tener un amplio
conocimiento de los tipos de fallas y saber interpretar las pistas que nos puede dar el
aspecto de la falla.
Examen Macroscópico
Es una observación a simple vista de la superficie de la falla que permitirá en
algunos casos identificar el tipo de fractura o el origen de la falla. Se debe observar
muy bién la huella, la amplitud de las zonas marcadas en la superficie, la textura de
la superficie, la presencia de grietas o focos de fractura y en fín todo aquello que
conduzca a la determinación correcta del motivo de la falla.
Examen microscópico
Es una observación al microscopio que permite delinear la microestructura del
material. Allí se puede determinar la presencia de elementos extraños, la existencia
de discontinuidades en la estructura del material, tratamientos térmicos mal
efectuados, la presencia de concentradores de esfuerzos o microgrietas difíciles de
detectar a simple vista.
Las observaciones hechas en los casos anteriores se deben anotar
complementándolas con mediciones, fotos, esquemas o dibujos.
Con frecuencia es necesario efectuar algunos ensayos adicionales para determinar la
causa de una falla. Se aplican los ensayos no destructivos (rayos X, ultrasonido,..),
que permitirán acopiar una mayor cantidad de información.
IX Conclusiones
Toda Falla deja unas pistas que permiten encontrar su origen. El diseñador debe
conocer muy bién las teorías de las fallas a fín de interpretar adecuadamente estas
pistas.
Toda máquina tiene sus niveles normales de ruido, vibración y temperatura. Cuando
se observe algun aumento anormal de estos niveles, se tienen los primeros indicios
de que hay alguna falla. Los operarios de las máquinas deben ser instruidos para que
avisen al detectar estos síntomas que presenta la máquina.
Al diseñar una máquina se debe tener un profundo conocimiento de la forma en que
funciona cada elemento componente y la forma en que puede fallar. Esto conducirá
a mejores diseños.
Antes de reemplazar una pieza que ha fallado se debe hacer un análisis minucioso
con el fín de determinar la causa exacta y aplicar los correctivos que hay a lugar.