Modelos de cambio y método de Euler
Pregunta central
¿Cómo se traduce una descripción verbal de cambio en un modelo continuo o discreto y cómo se aproxima una ecuación diferencial mediante el método de Euler?
Del fenómeno a la ecuación
Para formular un modelo dinámico conviene seguir cuatro pasos:
- Definir la variable de estado y sus unidades.
- Identificar qué aumenta y qué disminuye esa variable.
- Escribir una relación de balance de tasas.
- Especificar la condición inicial y revisar que las unidades sean consistentes.
En tiempo continuo, una tasa de cambio se expresa mediante una derivada:
En tiempo discreto, el mismo razonamiento produce una regla de actualización:
Important
El signo y las unidades forman parte del modelo. Si se mide en litros y en minutos, cada término de debe medirse en litros por minuto.
Crecimiento exponencial y logístico
Recursos ilimitados: crecimiento exponencial
Si la rapidez de crecimiento es proporcional a la población presente,
la solución es
Este modelo supone que la tasa per cápita permanece constante. Es útil en etapas iniciales, pero no incorpora competencia ni escasez de recursos.
Recursos limitados: crecimiento logístico
Para mejorar el modelo exponencial se introduce una capacidad de carga :
Aquí:
- es la población;
- es la tasa de crecimiento intrínseca, con unidades de tiempo;
- es la capacidad de carga, con las mismas unidades que ;
- reduce el crecimiento conforme la población se acerca a .
Separando variables e imponiendo la condición inicial se obtiene
Para y , los equilibrios son y . Si , la población crece hacia ; si , decrece hacia . En ambos casos,
Ejemplos de formulación continua
Enfriamiento de una taza de café
Una taza de café se encuentra inicialmente a en una habitación cuya temperatura permanece en . La ley de enfriamiento de Newton supone que la rapidez de cambio es proporcional a la diferencia respecto del ambiente.
Sean
Como el café está más caliente que el ambiente y debe enfriarse,
La solución es
Sin una medición adicional de temperatura y tiempo no puede determinarse el valor numérico de .
Tanque con entrada y fuga
Un tanque contiene inicialmente L. Entran L/min y la fuga es proporcional al volumen, con min. Si es el volumen en litros,
El volumen de equilibrio satisface , por lo que
La solución
muestra que el volumen desciende desde L y se aproxima a L. El modelo supone que la entrada y el coeficiente de fuga permanecen constantes.
Ejemplos de formulación discreta
Colonia de insectos
Una población inicial de individuos aumenta por generación. Si es la población en la generación ,
Por iteración,
Este es un modelo discreto de crecimiento exponencial. Supone una tasa fija y ausencia de migración o factores externos.
Cuenta bancaria
Una cuenta inicia con unidades monetarias. Al final de cada mes gana de interés y después recibe un depósito de . Si es el saldo antes de aplicar esas operaciones,
El orden importa: si el depósito se hiciera antes de calcular el interés, la recurrencia sería .
Método de Euler
Para el problema de valor inicial
la expansión de Taylor alrededor de es
para algún . Al sustituir y descartar los términos de orden se obtiene el método de Euler explícito:
Geométricamente, se avanza una distancia usando como aproximación la recta tangente en el punto actual.
Un paso aplicado al café
Si, solo para ilustrar el procedimiento, se toma min y min, entonces
Desde :
Reducir suele disminuir el error, pero aumenta el número de pasos y el costo computacional. Además, un paso demasiado grande puede producir resultados inestables o físicamente absurdos.
Comprobaciones de un modelo de cambio
- ¿Cada variable y parámetro está definido con unidades?
- ¿Las condiciones iniciales están especificadas?
- ¿Los signos de entradas y salidas son correctos?
- ¿Todos los términos de una ecuación tienen unidades compatibles?
- ¿El tiempo es continuo o discreto?
- ¿Los equilibrios y el comportamiento límite tienen sentido físico?
- ¿El tamaño de paso numérico es apropiado?
Ejercicios resueltos
- Desarrollar varias iteraciones de Euler y compararlas con la solución exacta de la ley de enfriamiento.
- Estudiar cómo cambia el error al usar , y .
- Resolver la ecuación logística a mano mediante separación de variables.
Euler frente a la solución exacta
Para el modelo del café con , y min,
Al aplicar Euler con min se obtiene la recurrencia
Las primeras iteraciones muestran que la aproximación queda por debajo de la solución exacta:
| (min) | Euler, | Solución exacta | Error absoluto |
|---|---|---|---|
| 0 | 90.000 | 90.000 | 0.000 |
| 1 | 83.000 | 83.339 | 0.339 |
| 2 | 76.700 | 77.311 | 0.611 |
| 3 | 71.030 | 71.857 | 0.827 |
| 4 | 65.927 | 66.922 | 0.995 |
Si se define la diferencia respecto del ambiente como , la actualización se simplifica a
Por lo tanto, después de pasos,
Esta expresión permite comparar distintos tamaños de paso en el mismo tiempo final. Para min, la solución exacta es
| Paso | Número de pasos | Aproximación | Error absoluto | Error relativo |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 10 | 44.4075 | 1.3441 | 2.9378 % |
| 0.5 | 20 | 45.0940 | 0.6575 | 1.4372 % |
| 0.1 | 100 | 45.6223 | 0.1293 | 0.2826 % |
Al reducir por un factor cercano a diez, el error también disminuye aproximadamente por ese factor. Esto coincide con que Euler tiene error global de orden .
En este modelo, la aproximación converge al equilibrio únicamente si
es decir, si . Para que la temperatura se acerque al ambiente sin oscilaciones ni valores físicamente extraños, conviene además exigir .
Solución logística mediante separación de variables
Partimos del modelo
Para y , se separan las variables:
Como
se integra en ambos lados:
Así,
y, al combinar los logaritmos,
La condición inicial determina
Finalmente, al despejar ,
Las soluciones de equilibrio y deben considerarse por separado porque al dividir entre se excluyeron temporalmente esos dos casos.
Conceptos extraídos
Conceptos relacionados actualizados
Referencias mencionadas
- No se registró bibliografía externa durante la clase; las formulaciones se reconstruyeron a partir de los apuntes.
Resumen después de clase
Una descripción verbal de cambio puede transformarse en un modelo al definir variables, condiciones iniciales y un balance entre entradas y salidas. En tiempo continuo este balance conduce a ecuaciones diferenciales, como los modelos de enfriamiento, fuga y crecimiento logístico; en tiempo discreto produce recurrencias, como las de una población por generaciones o una cuenta bancaria. El modelo logístico mejora el crecimiento exponencial al incorporar una capacidad de carga. Cuando no se usa una solución analítica, el método de Euler permite aproximar la evolución mediante pasos sobre la recta tangente, aunque su precisión y estabilidad dependen del tamaño de paso.