PDF de programación - Tarea individual. Aplicación de la interpolación polinomial

Tarea individual.

Aplicación de la interpolación polinomial

Agradezco al profesor Erick Lee Guzmán por la idea de esta tarea.

Objetivos. Aplicar varios métodos de la interpolación polinomial y de la interpolación
polinomial segmentaria a la aproximación de curvas en el plano.

1. Ejemplo de interpolación de la gráfica de una función usando herramientas
de Wolfram Mathematica.

(* Función original *)

f[x_] := 3 + Cos[x] - 2*Sin[2*x]
p0 = Plot[f[x], {x, -2, 6}, PlotLabel -> f[x]]

(* Nodos de interpolación *)

xs = {-2, -0.5, 1, 2.5, 4, 5.5}
vs = N[Map[f, xs]]
ps = Transpose[{xs, vs}]
ran = {{Min[xs] - 1, Max[xs] + 1}, {Min[vs] - 2, Max[vs] + 2}}
pp = ListPlot[ps, PlotMarkers -> {Automatic, Medium}, PlotRange -> ran]
Show[p0, pp]

(* Interpolación polinomial *)

f1[x_] := InterpolatingPolynomial[ps, x]
p1 = Plot[{f1[x], f[x]}, {x, Min[xs], Max[xs]}, PlotRange -> ran]
Show[p1, pp]

(* Interpolación segmentaria lineal *)

f2 = Interpolation[ps, InterpolationOrder -> 1];
p2 = Plot[{f2[x], f[x]}, {x, Min[xs], Max[xs]}, PlotRange -> ran]
Show[p2, pp]

(* Interpolación segmentaria cúbica *)

f3 = Interpolation[ps, InterpolationOrder -> 3, Method -> "Spline"];
p3 = Plot[{f3[x], f[x]}, {x, Min[xs], Max[xs]}, PlotRange -> ran]
Show[p3, pp]

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2. Ejemplo de interpolación de una curva usando herramientas de Wolfram
Mathematica.

(* Datos iniciales *)

as = {2, 1, 3, 5, 6}
bs = {5, 3, 1, 1.5, 2}
cs = Transpose[{as, bs}]
ran = {{Min[as] - 1, Max[as] + 1}, {0, 8}}
pp = ListPlot[cs, PlotMarkers -> {Automatic, Medium}, PlotRange -> ran]
n = Length[as]

(* Interpolación polinomial *)

fa1[t_] := InterpolatingPolynomial[as, t]
fb1[t_] := InterpolatingPolynomial[bs, t]
p1 = ParametricPlot[{fa1[t], fb1[t]}, {t, 1, n}, PlotRange -> ran]
Show[pp, p1]

(* Interpolación segmentaria lineal *)

fa2 = Interpolation[as, InterpolationOrder -> 1];
fb2 = Interpolation[bs, InterpolationOrder -> 1];
p2 = ParametricPlot[{fa2[t], fb2[t]}, {t, 1, n}, PlotRange -> ran]
Show[pp, p2]

(* Interpolación segmentaria cúbica *)

fa3 = Interpolation[as, InterpolationOrder -> 3, Method -> "Spline"];
fb3 = Interpolation[bs, InterpolationOrder -> 3, Method -> "Spline"];
p3 = ParametricPlot[{fa3[t], fb3[t]}, {t, 1, n}, PlotRange -> ran]
Show[pp, p3]

En vez de las herramientas de Wolfram Mathematica sería mejor usar sus propias funciones
que realizan los algoritmos de interpolación.

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3. La tarea es individual. Cada estudiante tiene que hacer sus propios dibujos y entregar
su propia solución.

4. Como guardar los resultados. Los resultados de esta tarea son archivos (imágenes)
en formato pdf (Portable Document Format). Todos los archivos deben tener nombres
en forma Surnames ???.pdf. Aquí Surnames son los apellidos del estudiante. La parte
??? corresponde a la parte de la tarea y se explica a continuación. Hay que separar los
apellidos con un guión bajo y omitir acentos. Ejemplos:

Sanchez Ramirez,

Cortes De La Cruz.

continua f : [a, b]→ R de tal manera que se cumplan las siguientes condiciones:

5. Parte I: Función. Elija un intervalo [a, b] del eje real y componga una función

1. La longitud del intervalo [a, b] debe ser entre 5 y 15: 5 ≤ b − a ≤ 15.

2. La función f debe estar definida a través de una fórmula analítica, por ejemplo,

f(x) = − (cos(x) − 0.5x − 0.2 sin(2x)) · arctan(x).

3. La diferencia entre el valor máximo y el mínimo de la función f debe ser un número

entre 5 y 15:

5 ≤ max
x∈[a,b]

f(x) − min
x∈[a,b]

f(x) ≤ 15.

4. La función f debe tener 2 o 3 máximos locales y 2 o 3 mínimos locales. Explica-
ción: las funciones que tienen muchos máximos y mínimos se aproximan mal con la
interpolación polinomial.

Todas estas propiedades se verifican fácilmente con la gráfica de f. Al componer una
función f con dichas propiedades guarde su gráfica en el archivo Surnames graph0.pdf.
Escriba la fórmula de correspondencia de la función junto con la gráfica:

Plot[x * Sin[x], {x, -3, 3}, PlotLabel -> x * Sin[x]]

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6. Interpolación de la función. Elija algunos puntos x1, . . . , xn en [a, b] tales que
8 ≤ n ≤ 12 y a = x1 < x2 < . . . < xn−1 < xn = b. Para la función f elegida construya la
interpolación polinomial (usando las fórmulas de Lagrange, de Neville o de Newton), la
interpolación segmentaria lineal y la interpolación segmentaria cúbica. No use parámetro.
Dibuje las gráficas correspondientes junto con la función f y guárdelas en los archivos

Surnames graph0.pdf, Surnames graph1.pdf,
Surnames graph2.pdf, Surnames graph3.pdf.

Sugerencias: intente a elegir los puntos de interpolación cerca de los máximos y mínimos
de la función. Si el polinomio interpolante difiere demasiado de la gráfica original, entonces
puede mejorar el resultado agregando más nodos cerca de los extremos del intervalo.

7. Parte II: Dibujo. Haga en el papel milimétrico o en un editor de imágenes un dibujo.
Es muy importante que las curvas del dibujo sean muy suaves. Si el dibujo original no es
una curva suave, es obligatorio separarlo en varias curvas suaves, hacer la interpolación
para cada una de estas, dibujar las curvas interpolantes por separado y luego juntar los
resultados. Para cada una de las curvas suaves elija y marque los nodos, es decir los
puntos de la curva que va a usar para la interpolación. Escriba en la computadora las
coordenadas de los nodos. Puede entregar el dibujo original en forma electrónica (como
archivo Surnames drawing0.pdf) o en el papel milimétrico.

8. Interpolación del dibujo. Para cada una de las lineas suaves del dibujo construya
las curvas interpolantes usando alguna parametrización. Se recomienda la parametrización
trivial: las abscisas se consideran como una función del parámetro t que toma valores de
1 hasta n (el número de nodos); lo mismo para las ordenadas. Dibuje las gráficas de las
curvas interpolantes con los nodos marcados y guardelas en los archivos

Surnames drawing1.pdf, Surnames drawing2.pdf, Surnames drawing3.pdf.

Si el dibujo fue está formado por varias lineaes suaves, se recomienda indicar de alguna
manera la cantidad de estas lineas.

9. Parte III: Letra. Esta parte es similar a la parte II, pero en lugar de un dibujo hay
que usar una letra caligráfica (que también debe estar formada por una o varias curvas
suaves). Guarde los resultados en los archivos

Surnames letter1.pdf, Surnames letter2.pdf, Surnames letter3.pdf.

10. ¿Cuándo y cómo entregar esta tarea?. Muestre los resultados al profesor en una
clase de programación o envíelos al correo electrónico del profesor. La última fecha para
enviar los archivos por correo es el lunes 2 de marzo de 2015.

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