Universitat de Girona

Programa de l'assignatura

Curs 2003-04

3105EA0005 FONAMENTS MATEMÀTICS DE L'ENGINYERIA


Objectius  

Donar uns coneixements bàsics d'estadística, àlgebra i càlcul a nivell de primer curs.
 
Prerrequisits  

Obligatoris: cap
Recomanats: cap
 
Contingut (Programa)  

A) Estadística (del 15/09/2003 al 24/11/2003)

ANÀLISI EXPLORATÒRIA DE DADES

 

1 Marc general d'actuació de l'Estadística.

1.1 Història. Relació entre el desenvolupament de l'estadística i l'agricultura.

1.2 Estadística. Definició

1.3 Població i mostra.

1.3.1 Plantejament general del problema.

1.3.2 Definicions bàsiques.

1.4 Parts de l'Estadística

1.4.1 Estadística descriptiva.

1.4.2 Estadística inferencial.

1.4.3 Disseny d'experiments.

1.4.4 Altres.

1.5 Alguns problemes que poden ser tractats amb l'ajut de l'estadística.

1.5.1 Enquestes ("Sample surveys").

1.5.2 Estudis comparatius.

1.5.3 Estudis sobre la relació entre dues variables.

1.5.4 Estudis observacionals vs. estudis controlats

2 Organització i anàlisi de dades univariants.

2.1 Introducció.

2.1.1 Objectius de la descripció i anàlisi exploratòria de les dades.

2.1.2 Límits de l'anàlisi exploratòria de dades.

2.2 Tabulació i representació gràfica de les dades.

2.2.1 Tabulació i representació gràfica de variables categòriques (Diagrames de sectors i Diagrames de barres.)

2.2.2 Tabulació i representació gràfica de variables numèriques contínues. Agrupació de dades en intervals de classe.

2.2.3 Altres representacions gràfiques.

2.3 Estadístics de posició i dispersió de les dades.

2.3.1 Estadístics de posició: estadístics de tendència central.

2.3.2 Altres estadístics de posició

2.4 Paràmetres de dispersió

2.4.2 Paràmetres de forma de la distribució: Coeficient d’asimetria i apuntament

2.5 Transformació sobre una variable estadística

2.5.1 Transformacions lineals. Estandardització d’una variable estadística

2.5.2 Transformacions no lineals

3 Organització i anàlisi descriptiva de dades bivariants

3.1 Relació entre dues variables categòriques

3.1.1 Distribució conjunta. Taules de contingència

3.1.2 Distribucions marginals

3.1.3 Distribucions condicionades (perfils)

3.2 Relació entre una variable contínua i una variable categòrica. Els diagrames de caixa múltiples

3.3 Relació entre dues variables contínues

3.3.1 Núvol de punts o diagrama de dispersió d'una distribució bivariant de variables numèriques. Estudi gràfic de la relació

3.3.2 Covariància

3.3.3 Mesura de l'associació entre dues variables contínues. Coeficient de correlació lineal (de Pearson).

                3.4 Els models lineals de regressió simple (MRLS).

                               3.4.1 Elements: variable resposta i variable explicativa. Objectius.

                3.4.2 Hipòtesis teòriques dels MRLS. Els MRLS normals.

                      3.4.3 Estimació dels paràmetres d'un MRLS.

 

TEORIA DE LA PROBABILITAT

 

1 Espais de probabilitat

1.1 Fenòmens aleatoris

1.1.1 Fenòmens aleatoris i fenòmens deterministes

1.1.2 La Teoria de la Probabilitat com a model matemàtic dels fenòmens aleatoris

1.1.3 L'espai mostral associat a un fenomen aleatori

1.1.4 La llei empírica de l'atzar

1.2 Probabilitat

1.2.1 Definició axiomàtica de la probabilitat sobre un àlgebra de Boole

1.2.2 Propietats de la Probabilitat

1.2.3 Diferents maneres d'assignar valors de probabilitats als esdeveniments

1.3 Probabilitat condicionada i independència d'esdeveniments

1.3.1 Definició de probabilitat condicionada P(AôB) en un espai de probabilitat

1.3.2 La llei de les probabilitats compostes

1.3.3 Independència d’esdeveniments

1.3.4 Teorema de les Probabilitats Totals

1.3.5 Teorema de Bayes

1.3.6 Tècniques de recopmte

2 Variables aleatòries

2.1 Aspectes generals

2.1.1 Aproximació intuïtiva al concepte de variable aleatòria

2.1.2 Definició de variable aleatòria sobre un espai de probabilitat

2.1.3 Tipus de variables aleatòries

2.2 Variables aleatòries discretes

2.3 Variables aleatòries absolutament contínues

2.4 Analogia entre Estadística Descriptiva i Probabilitat-Variable Aleatòria

3 Models de probabilitat

3.1 Models discrets de probabilitat

3.1.2 Distribució Binomial

3.2 Models continus de probabilitat

3.2.1 Distribució Normal o de Laplace-Gauss

3.2.4 Mètode gràfic per jutjar la bondat d'ajust d'una distribució de dades a un model de distribució teòrica

 

 

INFERÈNCIA ESTADÍSTICA

 

1 Introducció a la inferència i mostreig

1.1 Introducció a la inferència estadística

1.1.1 Problema de la inferència

1.1.2 Diferents tècniques d'inferència estadística

1.2 Mostreig

1.2.1 Mostreig

1.3 Estadístics i estimadors

1.3.1 Estadístics, paràmetres i estimadors

1.3.2 Variabilitat mostral. Distribució mostral d'un estimador

1.3.3 Propietats d'un estimador

2 Distribucions mostrals

2.1 Estimadors dels paràmetres poblacionals mitjana i variància en un mostreig aleatori simple

2.2 La mitjana mostral

2.2.1 La mitjana mostral com a variable aleatòria

2.2.2 Esperança i Variància de la v.a. Mitjana mostral de tamany n

2.2.3 Funció de densitat de la v.a. Mitjana mostral de mida n

2.3 Diferència entre dos mitjanes mostrals

2.3.1 La diferència entre dos mitjanes mostrals com a variable aleatòria

2.3.2 Mostres independents

2.3.3 Mostres aparellades (no independents)

3 Inferència a partir d'una i dues mostres

3.1 Estimació per intervals

3.1.1 Introducció

3.1.2 Interval de confiança per la mitjana poblacional m

3.1.3 Interval de confiança per la diferència de mitjanes poblacionals mA, mB

3.2 Contrast d'hipòtesi

3.2.1 Introducció

3.2.2 Contrast d'hipòtesi sobre la mitjana m a partir de les dades d'una mostra

3.2.3 Contrast d'hipòtesi sobre la diferència de mitjanes mA-mB a partir de les dades de dues mostres

3.3    Gràfics de control de Shewhart.

3.3.1 Límits de control d'un procés. Límits de tolerància. Índex de capacitat d'un procés.

3.3.2 Determinació de la capacitat d'un procés.

3.3.3 Gràfics de mitjanes.

3.3.4 Gràfics de rangs (gràfics-R). Gràfics de desviacions estàndard (gràfics-s).

 

4 Inferència a partir de més de dues mostres. Anàlisi de la Variància (ANOVA)

                4.1 Plantejament del problema

                4.2 Descomposició de la variabilitat total o suma de quadrats. Taula d’anàlisi de la variància

                4.3 Contrastos d’hipòtesi. Nivell de significació

                4.4 Validació del model. Anàlisi dels residus 

B) Àlgebra i Càlcul (del 24/11/2003 al 19/12/2003 i del 10/02/2004 al 31/05/2004)

(CONTINGUT: Àlgebra lineal, Càlcul infinitesimal, Integració, Equacions diferencials, Mètodes numèrics)

1. Sistemes lineals
Equacions lineals. Variables. Coeficients. Termes independents.
Sistemes. Incògnites. Solució.
Classificació de sistemes.
Forma resolta. Variables lligades. Variables lliures.
Combinació lineal d'equacions. Sistemes equivalents.
Mètode de Gauss. Forma esglaonada.
Notació matricial.

2. Espai vectorial Rn
Vectors a Rn. Coordenades.
Combinacions lineals de vectors.
Dependència i independència lineal de vectors.
Determinació de la relació de dependència lineal.
Propietats de la dependència lineal i la independència lineal amb relació a la inclusió de conjunts de vectors.
Subspai generat per un conjunt de vectors. Base i dimensió. Propietats fonamentals dels subspais.
Subspai determinat per un sistema lineal homogeni.

3. Matrius
Matriu. Coeficients. Files i columnes. Ordre d’una matriu.
Matrius fila. Matrius columna. Transposició de matrius.
Matriu quadrada. Matriu diagonal. Matriu triangular. Matriu simètrica. Matriu identitat. Matriu zero.
Suma i resta de matrius. Matriu oposada. Multiplicació per un escalar.
Producte de matrius.
Equació matricial d'un sistema lineal. Sistemes simultanis. Mètode de Gauss-Jordan.
Matriu inversa. Càlcul de la matriu inversa. Matrius inversibles.
Propietats de les operacions matricials.
No commutativitat. No regularitat. Inversa del producte.

4. Determinants
Determinants 2x2, 3x3, i nxn. Fórmules de Crammer.
Determinant d’una matriu triangular.
Multilinealitat. Antissimetria
Determinants nuls.
Mètode de Gauss
Determinant d'operacions matricials:
- Transposada d’una matriu
- Multiplicació per un escalar
- Producte de matrius.
- Inversa. Condició d'invertibilitat.
Matriu adjunta. Propietat: A·A*=|A|·I.
Càlcul de la matriu inversa per l'adjunta.
Desenvolupament per una fila o columna.

5. Problemes lineals amb paràmetres
Rang d’una matriu.
Teorema de Rouché
Característica d'una matriu
rang M = car M
Estudi de sistemes lineals depenents de paràmetres
Problemes de dependència lineal amb paràmetres

6. Valors i vectors propis
Transformacions lineals. Exemples.
Representació matricial. Matriu d'una transformació lineal.
Nucli.
Polinomi característic. Equació característica. Valors propis.
Subspai propi. Vectors propis.
Multiplicitat i dimensió d'un valor propi. Propietats.
Independència lineal dels vectors propis.
Base de Rn de vectors propis.
Matriu diagonalitzable. Descomposició d’una matriu diagonalitzable en la forma M=P·D·P-1
Condicions per a que una matriu diagonalitzi
Potència d’una matriu diagonalitzable

7. Models lineals discrets de dinàmica de poblacions
Models de moviment de població/preferència de consumidor.
Models de Leslie de creixement de població.
Iterats. Distribució de la població. Índex d'augment/disminució de la població total.
Relació entre l'iterat k-èsim i la potència Mk.
Valor i vector propi dominant.
Distribució de la població i índex d'augment/disminució de la població total en el límit.

8. Nombres complexos
La unitat imaginària.
Forma binòmica. Part real i part imaginària.
Suma. Interpretació geomètrica. Resta. Producte. Quocient.
Conjugat i mòdul.
Potències successives de i
(Propietats de les operacions)
Factorització: Rufinni, Biquadrades, ...
Forma polar. Mesures angulars: graus i radiants. Conversions.
Producte, quocient, potència i arrel (primitiva) en forma polar. Interpretació geomètrica.
Arrels n-èsimes.

9. Funcions
Funcions. Domini. Recorregut. Imatge. Antiimatges.
Funcions polinòmiques, racionals, trigonomètriques, logarísmiques i exponencials.
Propietats algebràiques. Resolució d'equacions (algebraicament).
Intervals de continuitat. Assímptotes. Intervals de creixement. Màxims i mínims. Intervals de corbatura. Punts d'inflexió.
Funció derivada. Quocient incremental. Recta tangent.
Aproximacions de Taylor.

10. Aplicacions de la derivada
Aplicació de la derivada a l'estudi d'una funció
Problemes de variacions
Problemes d'optimització

11. Integració
Integrals immediates.
Integració de funcions racionals.
Mètode d’integració per parts.
Canvi de variable.

12. Aplicacions de la integral
Integral definida. Interval d’integració. Límits d’integració. Regla de Barrow.
La integral definida com a àrea amb signe. Additivitat respecte l'interval d'integració.
Funció integral. Teorema fonamental del càlcul.
Àrees i longituts en el pla.
Volums en l'espai (Cavalieri).
Volums i superfícies de revolució
Teorema del valor mitjà. La integral com a límit d’un promig.
Aproximacions de Simpson. Aproximació de l’error.

13. Equacions diferencials
Concepte d’equació diferencial ordinària
Solució particular. Solució general.
Equacions de variables separades.
Equacions lineals de 1er ordre.
Canvi de variable
Aplicacions geomètriques i físiques de les equacions diferencials

14. Sistemes diferencials
Sistemes de dues equacions diferencials lineals homogènies amb coeficients constants.
Matriu del sistema. Equació característica. Valors propis.
Sistemes desacoblats.
Sistemes amb valors propis reals diferents.
Sistemes acoblats amb un valor propi real doble.
Sistemes amb valors propis complexos.
Aplicacions geomètriques i físiques dels sistemes diferencials

15. Mètodes numèrics iteratius
Mètode de Gauss-Seidel
Mètode de la potència
Mètode de Newton-Raphson
Mètode de Taylor

 
Bibliografia  


A) Estadística
-Miller, I.R. i altres (1992) Probabilidad y estadística para ingenieros. Prentice-Hall, 4a. edició.
-Montgomery, D.C. i altres (1994): Probabilidad y Estadística aplicadas a la Ingeniería.McGraw-Hill.
-Canavos, G.C.(1987): Probabilidad y Estadística. Aplicaciones y mètodos. Mc Graw-Hill.
B) Àlgebra i Càlcul
-Larson R.E., Edwards B.H. (1995): Introducción al álgebra lineal, Ed. Limusa
-Salas-Hille (1994): Calculus, Volum 1, 3a edició, Ed. Reverté S.A.
-Simmons F. (1991): Ecuaciones Diferenciales, McGraw-Hill
 
Mètodes docents  

Teoria i problemes: 4 hores/setmana
Pràctiques: 1 hora/setmana.
 
Tipus d'exàmens i avaluacions  

Classificació Teoria/Pràctiques:
- Teoria i Problemes: 80%
- Pràctiques: 20%

Classificació Estadística/Àlgebra i Càlcul:
- Estadística: 35%
- Àlgebra i Càlcul: 65%

L'avaluació es basarà fonamentalment en els examens que es faran en finalitzar cadascun dels dos quadrimestres i es complementarà amb altres proves que es faran durant el curs. Per més detalls sobre criteris i proves complementàries d'avaluació consulteu el professor corresponent.
 
Informació addicional  

Consulteu el professor corresponent
 
Llengua de les classes  

Català