15

Preciso montar uma função quadrática Y = aX² + bX + c a partir de valores de X e Y conhecidos.
Neste caso, estou tratando de H(Q) = aQ² + bQ + c (Altura manométrica em função da vazão).

Onde:
H1 = 3; Q1 = 3.4
H2 = 8; Q2 = 2.6
H3 = 15; Q3 = 0.8

... ou ainda ...

H(3.4)=3
H(2.6)=8
H(0.8)=15

Matematicamente, preciso fazer as deduções das constantes "a", "b", "c", onde:
c = H1 - a*((Q1)^2) - b*(Q1)
b = (H2 - a*((Q2)^2) - c) / (Q2)
a = (H3 - b*(Q3) - c) / ((Q3)^2)

Sabendo que ao final eu teria o valor de "a", substituindo nas equações de "b" e "c" consequentemente, como poderia automatizar isso num codigo no Python?

Aprendi em programação que ao declarar uma variável sem valor ela retorna valor igual a 1 (Não sei nem se no Python é assim).

Portanto, como declarar "a", "b", "c" de forma que o programa faça as iterações até achar os valores reais dessas constantes?

2
  • 2
    Meu comentário anterior era em grande parte bobagem, por isso o removi. Confundi as coisas. O que você precisa é resolver um sistema linear de equações. 16/07/2018 às 0:56
  • 3
    @LuizVieira A resposta do Jefferson vale, com certeza, receber a recompensa. Eu mesmo queria ter dado e acabei esquecendo. Ficarei feliz se entregar a ele - ou a qualquer outra resposta que possa ainda aparecer.
    – Woss
    27/07/2018 às 1:15

2 Respostas 2

17
+50

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:

  1. normalização para o primeiro termo não nulo valer 1
  2. anular esse termo nas colunas abaixo
  3. 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:

  1. multiplicar uma linha por um número
  2. combinar linhas
  3. 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:

  1. há uma liberdade de grau > 0; você só obtém resposta quando a liberdade é de grau = 0
  2. 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:

  1. menos equações do que variáveis
  2. 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:

  1. a, relacionado a X**3
  2. b, relacionado a X**2
  3. c, relacionado a X
  4. 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.

2
  • Jefferson muito obrigado. Estou admirado com o nível da sua resposta. Vou ficar com a resposta do Anderson abaixo pois ele me dá diretamente a classe ou biblioteca da função matemática no Python. Mas tua explicação ta tá show de bola, só vou ter que estuda-la mais a fundo para entender melhor depois.
    – h1k3rpath
    16/07/2018 às 18:09
  • 2
    @h1k3r, a solução do Anderson realmente está mais idiomática. Eu tenho uma deficiência de não conhecer a fundo as bibliotecas padrão das linguagens, mas normalmente trato consigo tratar os problemas com algoritmos próprios =) E, sim, muitas vezes uma solução homebrew é pior do que uma advinda de bibliotecas, mas é sempre bom conhecer a base e poder se virar em ambientes limitados, sem falar que fica independente de linguagem 17/07/2018 às 12:55
12

Sim, é possível.

O Python possui uma biblioteca própria para trabalhar com matemática simbólica: sympy. Você pode criar símbolos utilizando a função symbols, ou a classe Symbol:

from sympy import Symbol

x = Symbol('x')
y = x + 1

print(y)  # x + 1

E é possível resolver os símbolos substituindo-os por valores numéricos:

print(y.subs(x, 41))  # 42

Bem como o SymPy já possui funções para resolução de sistemas lineares:

from sympy import symbols
from sympy.solvers.solveset import linsolve

a, b, c = symbols('a, b, c')

system = [
    a*3.4**2 + b*3.4 + c - 3,
    a*2.6**2 + b*2.6 + c - 8,
    a*0.8**2 + b*0.8 + c - 15
]

result = linsolve(system, (a, b, c))

O sistema definido em system é exatamente o descrito na pergunta. Perceba somente que a biblioteca espera equações que são iguais a zero, portanto se você possui algo como x - a = 5, você precisa definir como x - a - 5 = 0, que são equivalentes.

A função linsolve irá resolver o sistema com base nos símbolos a, b e c, devolvendo os valores dos mesmos, se o sistema possuir solução.

Para detalhes da matemática que fundamenta todo este processo, por favor, veja a resposta do Jefferson Quesado - altamente recomendado ler, mesmo que não vá aplicá-la diretamente.

1
  • 5
    A sensação que eu tive com sua resposta foi import antigravity 16/07/2018 às 17:10

Você deve fazer log-in para responder a esta pergunta.

Esta não é a resposta que você está procurando? Pesquise outras perguntas com a tag .