Como posso codificar essa equação em Java?
750=(1-(1+j)^(-10))/j*86
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Inscreva-se para participar desta comunidadeEstou utilizando o método dos trapézios para resolver essa equação. Esse método também atende ao nome "método das secantes".
O método dos trapézios se aproxima muito ao do Algoritmo de Newton-Raphson, mas no lugar de usar a derivada usa a diferença entre dois pontos dados para buscar o próximo ponto de tentativa. Não são todas as funções que se adequam ao uso desse método para encontrar suas raízes. Essa sua equação, por exemplo, não é.
Método de Newton-Raphson:
"Animation of Newton's method" por Ralf Pfeifer é licenciado sob CC-BY-SA 3.0
Método dos trapézios:
"Illustration of the secant method" de Jitse Niesen, domínio público.
Joguei no WolframAlpha para saber uma das raízes reais e ver se consigo me aproximar.
import java.util.function.DoubleUnaryOperator;
public class ResolucaoTrapezio {
private Double raiz;
private Integer iteracoesTotal;
private Double errRaiz;
public boolean achouRaiz() {
return raiz != null;
}
public Double getRaiz() {
return raiz;
}
public Double getErrRaiz() {
return errRaiz;
}
public Integer getIteracoesTotal() {
return iteracoesTotal;
}
public ResolucaoTrapezio(DoubleUnaryOperator func, double x0, double x1, double err, int iteracoes) {
achaRaiz(func, x0, x1, err, iteracoes);
}
public void achaRaiz(DoubleUnaryOperator func, double x0, double x1, double err, int iteracoes) {
double y0, y1;
y0 = func.applyAsDouble(x0);
if (diffErrAceitavel(y0, err)) {
iteracoesTotal = 0;
raiz = x0;
errRaiz = -y0;
return;
}
for (int it = 0; it < iteracoes; it++) {
y1 = func.applyAsDouble(x1);
if (diffErrAceitavel(y1, err)) {
iteracoesTotal = it + 1;
raiz = x1;
errRaiz = -y1;
return;
}
// entrou em laço infinito =(
if (y1 == y0) {
break;
}
// próximo passo, achando o próximo x
double x2 = x0 - y0*(x1 - x0)/(y1 - y0);
// atualizando: x_{i} <-- x_{i-1}
x0 = x1;
x1 = x2;
// atualizando: y0 recebe o último y encontrado
y0 = y1;
}
iteracoesTotal = null;
raiz = null;
errRaiz = null;
return;
}
private static boolean diffErrAceitavel(double y0, double err) {
return Math.abs(y0) < err;
}
}
Esse objeto, a partir do construtor, tenta achar a resposta usando o método dos trapézios. Ele tem algumas limitações propositais para evitar processamento divergente, como detecção de retângulo e quantidade de iterações. Também considera que a raiz é um número próximo o suficiente de zero de acordo com um erro passado. Estou usando 7 casas decimais de precisão, então o erro é garantido ser menor do que 0.0000001
.
Se não for possível encontrar a raiz, o valor de getRaiz()
e de getErrRaiz()
serão nulos. Eu sempre estou guardando quantas iterações usei para chegar na conclusão de que cheguei na raiz ou divergi no getIteracoesTotal()
.
Para a sua função, usei a seguinte fórmula:
(j) -> {
double q0 = 750;
double n = 10;
double p = 86;
return p*(1 - Math.pow(1 + j, -n)) / j - q0;
}
Se quiser achar o valor de outra variável, é só por a variável como parâmetro e fixar o valor de j
. Por exemplo hipotético:
(n) -> {
double q0 = 750;
double p = 86;
double j = 0.0256902;
return p*(1 - Math.pow(1 + j, -n)) / j - q0;
}
Um exemplo de chamada desse objeto é o seguinte:
public static void main(String[] args) {
ResolucaoTrapezio resTrap = new ResolucaoTrapezio((j) -> {
double q0 = 750;
double n = 10;
double p = 86;
return p*(1 - Math.pow(1 + j, -n)) / j - q0;
}, -1.8, -1.5, 0.00000001, 1000);
System.out.println("resolução da equação: " + resTrap.getRaiz() + ", nessa quantidade de iterações: " + resTrap.getIteracoesTotal() + " (erro " + resTrap.getErrRaiz() + ")");
}
A saída obtida foi:
resolução da equação: -1.756371998522421, nessa quantidade de iterações: 10 (erro -3.410605131648481E-13)
Aqui, no método dos trapézios achar os primeiros dois valores bons é fundamental. O @VictorStafusa sugeriu que eu devesse começar com 0.25 e 0.5.
Testando a sugestão do @VictorStafusa:
resolução da equação: null, nessa quantidade de iterações: 1000 (erro null)
Bem, divergiu...
Então, podemos tentar adivinhar quais são os pontos iniciais para essa função... Comecemos de 0.001
até 0.9
como x0
, passo de 0.0001
. Façamos com que x1
difira de x0
um delta
entre 0.00001
a 0.5
de x0
variando a cada passo 0.00001
.
Eu consigo fazer isso através do seguinte for
:
for (double x0 = 0.001; x0 <= 0.9; x0 += 0.0001) {
for (double delta = 0.0001; delta <= 0.5; delta += 0.0001) {
double x1 = x0 + delta;
// processamento desejado aqui
}
}
Tentando achar a raiz...
public static void main(String[] args) {
DoubleUnaryOperator f = (j) -> {
double q0 = 750;
double n = 10;
double p = 86;
return p*(1 - Math.pow(1 + j, -n)) / j - q0;
};
int divergencias = 0;
int convergencias = 0;
int totalIteracoesAcc = 0;
for (double x0 = 0.001; x0 <= 0.9; x0 += 0.0001) {
for (double delta = 0.0001; delta <= 0.5; delta += 0.0001) {
double x1 = x0 + delta;
ResolucaoTrapezio resTrap = new ResolucaoTrapezio(f, x0, x1, 0.00000001, 1000);
totalIteracoesAcc += resTrap.getIteracoesTotal();
if (resTrap.achouRaiz()) {
if (convergencias < 10) {
System.out.println(String.format("ACHOU RAIZ... parâmetros: x0 = %f x1 = %f; raiz = %f (err = %f); iterações %d", x0, x1, resTrap.getRaiz(), resTrap.getErrRaiz(), resTrap.getIteracoesTotal()));
}
convergencias++;
} else {
if (divergencias < 10) {
System.out.println(String.format("não achou raiz... parâmetros: x0 = %f x1 = %f; iterações %d", x0, x1, resTrap.getIteracoesTotal()));
}
divergencias++;
}
System.out.println(String.format("Já rodamos %d iterações ao todo; %d convergências, %d divergências", totalIteracoesAcc, convergencias, divergencias));
}
}
}
Saída:
ACHOU RAIZ... parâmetros: x0 = 0,001000 x1 = 0,001100; raiz = 0,025690 (err = -0,000000); iterações 6 Já rodamos 6 iterações ao todo; 1 convergências, 0 divergências ACHOU RAIZ... parâmetros: x0 = 0,001000 x1 = 0,001200; raiz = 0,025690 (err = -0,000000); iterações 6 Já rodamos 12 iterações ao todo; 2 convergências, 0 divergências ACHOU RAIZ... parâmetros: x0 = 0,001000 x1 = 0,001300; raiz = 0,025690 (err = -0,000000); iterações 6 Já rodamos 18 iterações ao todo; 3 convergências, 0 divergências [... omitido por questão de porque sim ...]
Bem, achamos a raiz. Feliz? Eu estou =D
Por curiosidade, se o algoritmo rodasse para todas as combinações possíveis de x0
e x1
, o tempo que ele levaria...
Rodamos ao todo -1825970073 iterações ao todo; 12818639 convergências, 32136361 divergências Tempo total: 519060 ms
Bem, estourou o inteiro, vou colocar um long
que deve aguentar. Também vou por long
para o número de convergências e divergências por via das dúvidas...
Novo resultado, agora sem overflow de inteiros:
Rodamos ao todo 32533768295 iterações ao todo; 12818639 convergências, 32136361 divergências Tempo total: 492871 ms
Eu sou um dos maiores defensores de que, quando você está lidando com matemática financeira e dinheiro, você deveria usar BigDecimal
.
Entretanto, a abordagem de resoluçao deste problema foi via métodos numéricos. É tanto que eu posso não encontrar a raiz real, mas eu encontrei um valor que está a um erro máximo de 1e-7
de 0
. Os cálculos e resultados desses métodos numéricos trazem consigo um erro intrínseco que não cabe ao tipo exato BigDecimal
, mas sim cabe ao tipo científico double
.
Leia mais:
int
(acabou de terminar a execução)
4/11/2017 às 4:32
Esse daqui realiza o cálculo usando o método da bissecção, procurando o j
no intervalo de 10−5 até 1. Ele trabalha com BigDecimal
s arredondando divisões com 21 casas decimais e trabalhando com uma margem de erro de 10−5 no valor bruto do q0
encontrado para aceitar a solução.
Eis o código:
import java.math.BigDecimal;
import java.math.RoundingMode;
class Calculo {
private static final BigDecimal CEM = new BigDecimal(100);
private static final BigDecimal DOIS = new BigDecimal(2);
private static final int PRECISAO_CALCULO = 21;
private static final int PRECISAO_FINAL = 5;
private static final BigDecimal DELTA =
BigDecimal.ONE.divide(BigDecimal.TEN.pow(PRECISAO_FINAL));
private static final BigDecimal financiamento(int n, BigDecimal j, BigDecimal p) {
BigDecimal a = BigDecimal.ONE.add(j).pow(n);
BigDecimal b = BigDecimal.ONE.divide(
a,
PRECISAO_CALCULO,
RoundingMode.HALF_EVEN);
return BigDecimal.ONE
.subtract(b)
.multiply(p)
.divide(j, PRECISAO_CALCULO, RoundingMode.HALF_EVEN);
}
private static final BigDecimal taxaFinanciamento(
BigDecimal q0,
int n,
BigDecimal p)
{
BigDecimal j1 = DELTA;
BigDecimal j2 = BigDecimal.ONE;
BigDecimal q1 = financiamento(n, j1, p);
BigDecimal q2 = financiamento(n, j2, p);
BigDecimal m1 = q1.subtract(q0);
BigDecimal m2 = q2.subtract(q0);
if (m1.abs().compareTo(DELTA) <= 0) return j1;
if (m2.abs().compareTo(DELTA) <= 0) return j2;
for (int i = 0; i < 50; i++) {
if (m1.signum() == m2.signum()) {
throw new ArithmeticException("Fora do intervalo"
+ ": q1=[" + q1 + "], j1=[" + j1 + "], m1=[" + m1 + "]"
+ ", q2=[" + q2 + "], j2=[" + j2 + "], m2=[" + m2 + "]"
+ ", i=" + i);
}
BigDecimal j3 = j1.add(j2).divide(DOIS);
BigDecimal q3 = financiamento(n, j3, p);
BigDecimal m3 = q3.subtract(q0);
if (m3.abs().compareTo(DELTA) <= 0) return j3;
if (m3.signum() == m1.signum()) {
q1 = q3;
j1 = j3;
} else {
q2 = q3;
j2 = j3;
}
}
throw new ArithmeticException("Não convergiu"
+ ": q1=[" + q1 + "], j1=[" + j1 + "], m1=[" + m1 + "]"
+ ", q2=[" + q2 + "], j2=[" + j2 + "], m2=[" + m2 + "]");
}
private static void teste(int q0, int p, int n) {
BigDecimal bdq0Ideal = new BigDecimal(q0);
BigDecimal bdp = new BigDecimal(p);
BigDecimal j = taxaFinanciamento(bdq0Ideal, n, bdp);
BigDecimal bdq0Obtido = financiamento(n, j, bdp);
System.out.println("----------");
System.out.println("q0-ideal=[" + bdq0Ideal + "]");
System.out.println("p=[" + bdp + "]");
System.out.println("j=[" + j + "]");
System.out.println("q0-obtido=[" + bdq0Obtido + "]");
System.out.println("----------");
System.out.println();
}
public static void main(String[] args) {
teste(750, 86, 10);
teste(750, 85, 10);
}
}
Eis a saída:
----------
q0-ideal=[750]
p=[86]
j=[0.025690244208984076976776123046875]
q0-obtido=[749.999997639096753068406]
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----------
q0-ideal=[750]
p=[85]
j=[0.023429261477030813694000244140625]
q0-obtido=[749.999996056141438963093]
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Esta saída significa que:
Para um valor de p = 86 e um q0 desejado de 750, foi calculado que um valor j = 2,5690244...% produz um q0 = 749,99999763...
Para um valor de p = 85 e um q0 desejado de 750, foi calculado que um valor j = 2,3429261...% produz um q0 = 749,99999605...
j
?