Raices de ecuaciones en excel

RAÍCES DE ECUACIONESClase 3

RAÍCES DE ECUACIONES

• Las raíces reales de una ecuación son los valores que adquiere la variable independiente , para satisfacer la igualdad:

• …… (1)

• Existen dos tipos de aproximaciones para localizar los valores de las raíces. La primera, presupone el conocimiento de un intervalo que encierra el valor de la raíz, lo que garantiza la convergencia del método.


• La segunda incluye aquellos métodos en los que a partir de uno o mas valores iniciales se busca un acercamiento hacia la raíz.

• Los métodos del segundo grupo, son generalmente mas rápidos, pero no siempre garantizan la localización de la raíz, ya que bajo ciertas condiciones el proceso se vuelve divergente.


• Métodos Cerrados

• Describiremos los métodos que aprovechan el hecho de que típicamente una función cambia de signo en el intervalo que encierra a la raíz. Por lo que, al analizar el cambio de signo de la función en un intervalo, se puede garantizar la existencia de una raíz. Para desarrollar los algoritmos de estos métodos, se requiere de dos valores iniciales (extremos del intervalo) entre los cuales se localiza la raíz.


• Método de la Bisección

• Uno de los métodos mas sencillos de búsqueda de raíces, por medio de la aplicación de algoritmos numéricos, es el método de la bisección. Este método consiste en tomar un intervalo de valores donde al evaluar la función en los extremos se presenta el cambio de signo, con lo cual se asegura que exista una raíz por lo menos dentro del intervalo.

RAÍCES DE ECUACIONES• Método de la Bisección

• A continuación se calcula el punto medio del intervalo, por lo que, de esta manera el intervalo inicial se divide en dos nuevos subintervalos mas pequeños. Se repite el análisis de cambio de signo para desechar el subintervalo que no contiene la raíz.

• Es importante señalar que este método puede requerir de muchas iteraciones, ya que no se considera en ningún momento el hecho de que algún extremo del intervalo este próximo a la raíz, con lo que el procedimiento se vuelve demasiado lento.


• Método de la Bisección

• En general, si es real y continua en el intervalo entre tienen signos opuestos, entonces existe al menos al menos una raíz real entre .

• La posición de la raíz se determina situándola en el punto medio del subintervalo en el cual ocurre un cambio de signo.


• Algoritmo

1. Seleccionar los valores iniciales de , y evaluar , de esta manera que la función en ese intervalo cambie de signo. También se establece una tolerancia de error.

2. Calcular la primera aproximación de la raíz por medio de la ecuación


• Algoritmo

3. Realizar las siguientes evaluaciones para determinar si se encontró la raíz para saber en que subintervalo se localiza.Si la raíz es igual a y se terminan los cálculos.Si la raíz se encuentra entre . Hacer y pasar al punto 4.Si la raíz se encuentra entre . Hacer y pasar al punto 4


• Algoritmo

4. Calcular de nuevo con la ecuación (2).

5. Calcular el error aproximado, con la ecuación (3), para decidir si la nueva aproximación cumple con el criterio de error establecido. Si es así, los cálculos terminan, en caso contrario se regresa al paso 3.


Ejemplo 3.1 (mne2-1v3)

• Aproximar una raíz real positiva para la siguiente función, con un


Solución

• De acuerdo a los pasos del algoritmo propuesto, se deben seleccionar los dos valores del intervalo que garanticen la existencia de al menos una raíz. Por medio de Excel como herramienta de trabajo, se abrirá una hoja para evaluar la función y obtener su gráfica para revisar el comportamiento de la misma. En esta gráfica se podrá observar si existe alguna raíz entre los valores seleccionados. En caso contrario se modificaran hasta asegurar que contiene al menos una raíz.


Solución

• Para construir una gráfica por medio de la herramienta Excel, se puede seguir las instrucciones que se presentan en la diapositiva de como graficar una función en Excel. La figura 1 muestra la curva obtenida al graficar la función dada por la ecuación

• En el intervalo

Figura 1 Grafica de la función

Figura 2 Intervalo de la función a considerar


Implementación del algoritmo del método de bisección mediante el uso de Excel

1. En la figura 2 se puede observar que dentro del intervalo comprendido entre 4.2 y 4.4 existe un cambio de signo en el valor de la función, por lo que estos valores pueden ser los correspondientes a para iniciar el algoritmo.



2. Para construir en Excel la tabla mostrada en la figura 3 se abre una hoja nueva y se etiquetan las columnas a emplear de acuerdo al algoritmo. En este caso deberán aparecer: el numero de iteración (columna A), los valores de los extremos del intervalo (columnas B y C), los valores de la evaluación de la función en los extremos del intervalo (columnas D y E), el calculo de la aproximación de la raíz (columna F), la evaluación de la función en ese punto (columna G) y el porcentaje de error aproximado (columna H).

Figura 3 Valores iniciales y calculados con el método de la bisección

RAÍCES DE ECUACIONESImplementación del algoritmo del método de bisección mediante el uso de Excel

3. Introducir los valores de la iteración inicial y de los extremos del intervalo , en las celdas A97, B97 y C97, respectivamente.

4. Introducir la formula para evaluar la función en los extremos del intervalo en las celdas D97 y E97. Hay que tener cuidado con el valor que se utilice en la operación sea el de la celda con la que tenga la correspondencia. Por ejemplo, para evaluar deberá utilizar los valores de , que se encuentran en la celda B97, para evaluar se deberá utilizar el valor de , que se encuentra en la celda C97, como se muestra en la figura 3.

Figura 4 Introducción de la formula para evaluar



5. Introducir en la celda F97 la fórmula para evaluar , es decir, la mitad del intervalo y evaluar la función nuevamente en el punto , tal como se muestra en la figura 4.

RAÍCES DE ECUACIONESImplementación del algoritmo del método de bisección mediante el uso de Excel

6. Para la segunda iteración, indicar en la celda A98 que la interacción anterior debe ser incrementada en 1. Por otro lado se debe introducir en las celdas B98 y C98 las condiciones de cambio de acuerdo al punto 3 del algoritmo. En la celda B98 se introduce la condición: si , si la condición se cumple no deberá hacerse cambios en la celda, pero si sucede lo contrario deberá actualizarse la celda con el ultimo valor calculado para . Las figuras 5 y 6 muestran la forma de introducir la función condicional en la celda B98. Seleccione menú INSERTAR FUNCIÓN según aparece en la figura 5.

Figura 5 Selección de la opción INSERTAR FUNCIÓN

Figura 6 Selección de la función LÓGICA del tipo SI



7. Seleccionar función LÓGICA del tipo SI como lo muestra la figura 6.

8. Introducir la condición en la primera ventana del menú. En la segunda ventana se introduce la celda del valor que debe aparecer en la celda B98 en caso de que si se cumpla la condición y en la tercer ventana se debe introducir la celda del valor que debe aparecer en la celda B96 en caso de que no se cumpla la condición, según se muestre la figura 7.

Figura 7 Introducción de la prueba lógica para el algoritmo de bisección para el valor de a



9. Repetir el procedimiento del paso 9 para el valor de , el cual aparece en la celda C98, la cual se muestra en la figura 8.

10.Repetir los cálculos para . Calcular el error relativo porcentual, tal como se muestra en la figura 9 .

Figura 8 Introducción de la prueba lógica para el algoritmo de bisección para el valor de b

Figura 9 Repetición de los cálculos de y el error relativo porcentual.

Figura 10 Cálculo de la raíz por el método de la bisección



11.Repetir los cálculos de la segunda iteración hasta alcanzar el error relativo porcentual que se indico en un inicio, lo cual sucede para un valor de , como se muestra en la figura 10 .


Implementación del algoritmo del método de bisección mediante Visual Basic

1. En la figura 2 se puede observar que dentro del intervalo comprendido entre 4.2 y 4.4 si existe un cambio de signo con el valor de la función, por lo que estos valores pueden ser los correspondientes a para iniciar el algoritmo.



2. Para construir en Excel la tabla mostrada en la figura 11 se abre una hoja nueva y se etiquetan las celdas a emplear de acuerdo al algoritmo. En este caso deben de aparecer: el porcentaje de error (celda B4), el valor inicial de (celda B6), el valor inicial de (celda B8) y el valor de la raíz (celda B10) .



2. También se etiquetan las columnas de la tabla de resultados que aparecerá con los siguientes datos: numero de iteración (columna A), valor de a (columna B) , valor de b (columna C), evaluación de la función en el punto a (columna D), evaluación de la función en el punto b (columna E), product de (columna F), calculo de la aproximación y el porcentaje de error aproximado (columna I ) .

Figura 11 Inicio de los cálculos de las raíces de , por el método de bisección con Visual Basic.



3. Una vez la tabla de la figura 11 se incrustan dos botones, los cuales se etiquetan con las leyendas: “calcular” y “limpiar”, como se denota en la figuras 12 , 13 y 14.

Figura 12 Habilitar en opciones de Excel la opción de desarrollador.

Figura 13 Opción habilitada de desarrollador para insertar botones de comando.

Figura 14 Se incrustan los botones para programar el método de bisección de Visual Basic.



4. El botón correspondiente a “calcular” tiene el propósito de calcular la raíz y tiene el siguiente código de programación abrir botón calcular :



5. El botón correspondiente a “limpiar” tiene el siguiente código de programación abrir limpiar calcular :



6. Fuera del código de esos dos botones, en el código general se introduce la función: abrir el código de la función



7. Una vez que se introdujeron los códigos anteriores, se ejecuta el programa introduciendo los valores iniciales sugeridos en el punto 1, y el porcentaje de error de , según aparece en la figura 15. La raíz obtenida fue de

Figura 15 Calculo de la primera raíz por el método de bisección con Visual Basic.



8. Si se desea aproximar la otra raíz real, se utiliza el botón “limpiar” y se cambian los valores iniciales sugeridos según la gráfica son y el porcentaje de error de , según aparece en la figura 16. La raíz obtenida fue de

Figura 16 Calculo de la segunda raíz por el método de bisección con Visual Basic.

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