O que você procura é algo que resolva sistema linear.
Essa resposta será escrita de forma genérica, pode-se aplicá-la em qualquer função cuja forma grossa seja conhecida. No caso, os exemplos serão polinômios de grau 2, conforme sua dúvida, ou de grau 1 para facilitar a explicação de algo não crítico mas necessário.
A resposta é independente de linguagem. Possivelmente farei inicialmente uma abordagem algorítmica pura, mas em versões futuras o código será eventualmente pythonizado
Vamos dividir a resposta em duas partes? A primeira é: montando o sistema linear. Na prática ela não responde nada, mas deixa tudo pronto e normalizado para a segunda parte (sem falar que é basicamente independente): resolvendo um sistema linear.
A segunda parte vou criar uma subdivisão: e quando não há resposta?
Pronto? Aperte os cintos, vamos lá.
Montando o sistema linear
Que tal definir o que é um "sistema linear" antes?
Primeiramente, o nome completo é "sistema de equações linear". Então, termo a termo:
- equação: algo dado como uma ruma operação aritmética entre variáveis e constantes que chega em um valor exato.
- equação linear: uma equação apenas com operações lineares. Uma operação linear é aquela entre duas constantes ou entre uma variável em seu valor base e uma constante.
15 x A é linear, já A^2 é quadrático, e sqrt(A) pertence ao grau 0.5, sendo também não linear
- sistema de equações: quando se tem uma única equação, temos um sistema de uma equação; quando temos 2 equações que compartilham variáveis, temos um sistema de 2 equações; o mesmo vale para 3, 4 ou
n
equações
Quando sabemos a forma da equação e desejamos encontrar seus parâmetros, e também temos fornecidos alguns pares de "entrada/resultado", então podemos substituir o X
em seus valores e igualar ao Y
fornecido.
Por exemplo, suponhamos que temos uma reta desconhecida. Só isso me fornece sua estrutura: Y = a*X+ b
. Se soubermos que ela passa pelos pontos (0, 0)
e (2, 2)
, então temos o seguinte sistema de equações:
a*X + b = Y (forma geral)
a*0 + b = 0 (ponto (0,0))
a*2 + b = 2 (ponto (2,2))
Poderíamos ter uma parábola (portanto, fórmula Y = a*X**2 + b*X + c
) com os seguintes pontos conhecidos:
(0, 10)
(2, 14)
(10, 110)
Que eu poderia montar o sistema da seguinte forma:
a*X**2 + b*X +c = Y (forma geral)
a*0**2 + b*0 + c = 10 (ponto (0,0))
a*2**2 + b*2 + c = 14 (ponto (2,14))
a*10**2 + b*10 + c = 110 (ponto (10,110))
Formalmente, como posso representar meu sistema linear? Bem, através de uma única matriz que contém em si a seguinte fórmula:
A x b = c
Onde:
A
é a matriz de parâmetros
b
é o vetor (coluna) de incógnitas; e
c
é o vetor (coluna) com os resultados
A representação é uma matriz única com as informações de A
é uma coluna extra para c
. O valor de b
já está codificado implicitamente. Os dois sistemas lineares descritos acima seriam representados assim:
considere a barra vertical apenas um recurso estilístico para separar o conteúdo de A
do vetor c
0 1 | 0
2 1 | 2
0 0 1 | 10
4 2 1 | 14
100 10 1 | 110
Resolvendo um sistema linear
Meu método favorito de resolução de sistemas lineares é através de eliminação gaussiana. Como ela se dá? Através de 2 ou 3 passos que se repetem até o fim:
- normalização para o primeiro termo não nulo valer 1
- anular esse termo nas colunas abaixo
- possivelmente, reordenar as linhas para que se possa fazer novamente os passos 1 e 2
Você só pode executar 3 tipos de operações com matrizes:
- multiplicar uma linha por um número
- combinar linhas
- mudar linhas de posição
Peguemos o primeiro sistema linear:
0 1 0
2 1 2
A primeira coisa aqui é reordená-lo, pois a primeira linha não permite a normalização necessária. Ficaria assim após reordenar:
2 1 2
0 1 0
Depois, normalizemos pelo primeiro termo não nulo. Nesse caso, implica multiplicar a primeira linha por 1/2; a segunda linha não exige mudança:
1 0.5 1
0 1 0
Pronto, já chegamos no final da matriz. Não há operações mais. Agora que já alcançamos o valor de uma variável, então vamos calcular o valor das outras variáveis. Essa ultima linha pode ser lida dessa maneira, por isso que alcançamos o valor da variável:
1*b = 0
Depois desse primeiro passo da eliminação gaussiana, vamos sair de algo que estava assim:
a00 a01 a02 a03 c0
a10 a11 a12 a13 c1
a20 a21 a22 a23 c2
a30 a31 a32 a33 c3
Obtemos algo assim:
1 a'01 a'02 a'03 c'0
0 1 a'12 a'13 c'1
0 0 1 a'23 c'2
0 0 0 1 c'3
Então, daí, se fizer a operação da eliminação gaussiana indo para cima teremos uma matriz diagonal. Ficaria algo mais ou menos assim:
1 0 0 0 c*0
0 1 0 0 c*1
0 0 1 0 c*2
0 0 0 1 c'3
Isso significa que obtemos o resultado desejado para o sistema linear. Então, voltando para o sistema linear anterior:
1 0.5 1
0 1 0
Podemos remover o 0.5
da primeira linha somando-a com 0.5 * l2
. Isso daria:
1 0 1
0 1 0
Portanto, podemos concluir que (a, b) = (1, 0)
, que é a mesma coisa de dizer que a fórmula é y = 1*x + 0
, ou então y = x
Para o outro caso, da parábola, vamos resolver?
0 0 1 10
4 2 1 14
100 10 1 110
Vamos primeiro mudar a posição das linhas 1 e 3, para poder dar seguimento à eliminação gaussiana:
100 10 1 110
4 2 1 14
0 0 1 10
Normalizando a primeira linha:
1 0.1 0.01 1.10
4 2 1 14
0 0 1 10
Fazendo l2 = l2 - 4*l1
:
1 0.1 0.01 1.10
0 1.6 0.96 9.60
0 0 1 10
Normalizando l2
:
1 0.1 0.01 1.10
0 1 0.6 6
0 0 1 10
Agora, indo de baixo para cima. Fazendo l2 = l2 - 0.6*l3
:
1 0.1 0.01 1.10
0 1 0 0
0 0 1 10
Agora, indo de baixo para cima. Fazendo l1 = l1 - 0.0.1*l3
:
1 0.1 0 1
0 1 0 0
0 0 1 10
Fazendo l1 = l1 - 0.1*l2
:
1 0 0 1
0 1 0 0
0 0 1 10
Portanto, concluímos que (a, b, c) = (1, 0, 10)
. A fórmula é y = x**2 + 10
.
Para o seu caso
O sistema linear da sua questão é:
11.56 3.4 1 3 # H(3.4) = 3
6.76 2.6 1 8 # H(2.6) = 8
0.64 0.8 1 15 # H(0.8) = 15
Só resolver o sistema linear agora, simples assim. Seja feliz =D
E quando não há resposta?
Há casos em que é impossível achar uma resposta de um sistema linear. As duas possibilidades são:
- há uma liberdade de grau
> 0
; você só obtém resposta quando a liberdade é de grau = 0
- há uma incoerência nos dados, mas para isso é necessário fornecer mais equações do que variáveis
Há duas possibilidades para cair no caso em que há graus de liberdade:
- menos equações do que variáveis
- uma equação é uma combinação linear das outras equações
O segundo caso (para polinômios do segundo grau) não ocorre ao se fornecer pares de entrada/saída. Mas hipoteticamente pode ocorrer com grau 3+.
Com um polinômio do grau 3, temos quatro parâmetros:
a
, relacionado a X**3
b
, relacionado a X**2
c
, relacionado a X
d
, independente de X
Peguemos l1
, l2
e l3
da seguinte forme:
a00 a01 a02 1 c1 #l1
a10 a11 a12 1 c2 #l2
a20 a21 a22 1 c3 #l3
Então, façamos l4 = l3 - l2 + l1
:
a30 = a20 - a10 + a00
a31 = a21 - a11 + a01
a32 = a32 - a22 + a02
a33 = 1 - 1 + 1 = 1
c3 = c2 - c1 + c0
Com isso, temos:
a00 a01 a02 1 c0 #l1
a10 a11 a12 1 c1 #l2
a20 a21 a22 1 c2 #l3
(a20-a10+a00) (a21-a11+a01) (a32-a22+a02) 1 (c2-c1+c0) #l4
Toda tentativa de fazer operação de diagonalização acarretará em ter uma linha nula. Se não for alterada a ordem das linhas, l4
certamente será nula.
O que isso significa? Que os valor de (a,b,c)
são dependentes linearmente de d
. Existe um grau de liberdade, e ele é a variável d
.