Capítulo 05: Cifras significativas, redondeo y propagación de incertidumbres

ANÁLISIS DE CIRCUITOS EN INGENIERÍA
CAPÍTULO 5 · PARTE 1 DE 9

¿Qué significan realmente las cifras significativas?

Los dígitos escritos deben representar información disponible, pero no sustituyen la incertidumbre

información experimental · dígitos · resolución · presentación · incertidumbre

Ruta del Capítulo 5

El capítulo avanzará mediante nueve preguntas encadenadas:

1
¿Qué información comunica un número medido?
2
¿Cómo identificamos correctamente sus cifras significativas?
3
¿Cómo redondeamos sin introducir sesgo innecesario?
4
¿Qué ocurre cuando operamos con cantidades medidas?
5
¿Cómo se comunica correctamente un resultado?
6
¿Qué ocurre cuando la magnitud se obtiene indirectamente?
7
¿Cómo se propagan las incertidumbres?
8
¿Qué reglas particulares se obtienen para operaciones frecuentes?
9
¿Cómo integramos todo en un problema experimental completo?
Al finalizar esta parte podrás:
explicar qué función cumplen las cifras significativas en una cantidad medida;
distinguir valor aritmético de información experimental comunicada;
comparar cantidades como 2,3 y 2,30 sin atribuirles automáticamente distinta incertidumbre;
distinguir resolución del instrumento, resolución decimal de presentación e incertidumbre;
explicar por qué una calculadora puede mostrar más dígitos de los que un experimento justifica;
interpretar correctamente la última cifra escrita de un resultado;
reconocer por qué la notación ± necesita una definición explícita;
justificar por qué más cifras no significan automáticamente mayor exactitud.

5.1. La calculadora no conoce la calidad del experimento

FUNDAMENTAL · ●○○○

Supongamos que una operación produce:

12,345678912

La calculadora puede mostrar nueve cifras después de la coma.

Pero eso solo demuestra que:

la calculadora ejecutó una operación con muchos dígitos

No demuestra que el experimento conozca la magnitud hasta nueve posiciones decimales.

La información realmente disponible depende de factores como:

  • las mediciones de entrada;
  • el instrumento utilizado;
  • el procedimiento de medición;
  • las correcciones aplicadas;
  • la variabilidad observada;
  • la incertidumbre asociada al resultado.
más dígitos de calculadora ≠ más información experimental
Figura 5.1. Dígitos calculados y dígitos experimentalmente justificables son conceptos diferentes
CÁLCULO NUMÉRICO 12,345678912 La calculadora conserva los dígitos del cálculo. No conoce el experimento. RESULTADO EXPERIMENTAL valor comunicado Debe reflejar únicamente información justificable. Requiere contexto metrológico. calcular muchos dígitos no crea información nueva
Nota. La figura distingue capacidad de cálculo de calidad metrológica. Un programa puede conservar muchos dígitos sin que todos estén respaldados por el proceso de medición. Elaboración propia.

5.2. ¿Qué son las cifras significativas?

FUNDAMENTAL · ●○○○

En el contexto de cantidades medidas, las cifras significativas son los dígitos que se conservan para comunicar numéricamente la información que se pretende expresar sobre el valor.

Por ejemplo:

25,3 mm

contiene:

3 cifras significativas

mientras que:

25,30 mm

contiene:

4 cifras significativas.

Desde el punto de vista estrictamente aritmético:

25,3 = 25,30

pero como formas de comunicar una cantidad medida, las dos escrituras pueden expresar diferente detalle numérico.

Precaución

La cantidad de cifras significativas no constituye, por sí sola, una medida de exactitud, precisión ni incertidumbre.

5.3. La idea tradicional del «último dígito estimado»

INTERMEDIO · ●●○○

En muchos textos introductorios se utiliza una regla pedagógica:

varios dígitos confiables + un último dígito estimado

Esta idea puede ser útil, especialmente al aprender a leer una escala analógica.

Sin embargo, no debe convertirse en una definición metrológica universal.

En un instrumento digital, por ejemplo, todos los dígitos aparecen automáticamente en la pantalla. Eso no significa que los primeros sean «exactos» y solo el último posea incertidumbre.

ningún dígito mostrado es garantía automática de exactitud

La calidad del resultado depende del proceso completo de medición, no de una clasificación visual entre cifras «seguras» e «inseguras».

Tabla 5.1. Tres ideas que conviene separar desde el comienzo

Idea Pregunta que responde Qué no debemos concluir
Cifras significativas ¿Cuántos dígitos se conservan para comunicar el valor? No determinan por sí solas la incertidumbre.
Resolución del instrumento ¿Qué cambio pequeño puede producir un cambio perceptible en la indicación? No es sinónimo de precisión ni incertidumbre.
Incertidumbre de medida ¿Qué dispersión caracteriza los valores atribuibles al mensurando? No puede deducirse simplemente contando decimales.

La definición metrológica de resolución se refiere al menor cambio de la magnitud medida que produce un cambio perceptible en la indicación correspondiente (Joint Committee for Guides in Metrology [JCGM], 2012).

DEMOSTRACIÓN 1 · FUNDAMENTAL · ●○○○

5.4. El mismo valor aritmético puede comunicarse con diferente detalle

Comparemos:

2,3 µm

y:

2,30 µm

Aritméticamente:

2,3=2,30.

Sin embargo:

2,3 µm tiene 2 cifras significativas.
2,30 µm tiene 3 cifras significativas.

Además, la última cifra escrita se encuentra:

en décimas de µm para 2,3 µm
en centésimas de µm para 2,30 µm

Por tanto:

las dos escrituras no comunican el mismo detalle decimal.

Pero todavía no podemos afirmar que sus incertidumbres sean respectivamente ±0,1 µm y ±0,01 µm. Para hacerlo necesitaríamos información adicional sobre el proceso de medición.

5.5. 2,3 y 2,30: iguales como números, diferentes como escritura experimental

La diferencia puede visualizarse observando la posición de la última cifra escrita.

Figura 5.2. Diferente resolución decimal de presentación para un mismo valor aritmético
2,3 µm última cifra escrita 0,1 µm 2 cifras significativas 2,30 µm última cifra escrita 0,01 µm 3 cifras significativas la posición de la última cifra no determina automáticamente u ni U
Nota. «Resolución decimal de presentación» se utiliza aquí para describir la posición decimal de la última cifra escrita. No debe confundirse con la resolución metrológica del instrumento. Elaboración propia.

5.6. Resolución decimal de presentación

INTERMEDIO · ●●○○

Para evitar confusiones, en este capítulo utilizaremos la expresión:

resolución decimal de presentación

para referirnos simplemente al valor posicional de la última cifra escrita.

Por ejemplo:

4,5 V

última posición:
0,1 V
4,50 V

última posición:
0,01 V
4,500 V

última posición:
0,001 V

Esta propiedad pertenece a:

la forma escrita del resultado

y no necesariamente a:

la resolución física del instrumento.

5.7. Resolución del instrumento y resolución de presentación no son lo mismo

El VIM define la resolución como el menor cambio de la magnitud medida que causa un cambio perceptible en la indicación correspondiente (JCGM, 2012).

Eso significa que:

resolución del instrumento

es una propiedad relacionada con:

el sistema de medición

mientras que:

resolución decimal de presentación

describe:

cómo escribimos el número.
Figura 5.3. Instrumento, escritura e incertidumbre pertenecen a niveles diferentes
NIVEL 1 · SISTEMA DE MEDICIÓN resolución · rango · calibración · condiciones propiedades del proceso o del instrumento NIVEL 2 · VALOR ESCRITO 4,50 V última posición decimal = 0,01 V NIVEL 3 · RESULTADO METROLÓGICO valor + incertidumbre + condiciones relevantes requiere evaluación, no simple conteo de dígitos los tres niveles se relacionan, pero no son equivalentes
Nota. La figura separa propiedades del sistema de medición, forma numérica de presentación y evaluación de incertidumbre. Elaboración propia.

Tabla 5.2. Diferencias entre tres conceptos que suelen confundirse

Concepto Ejemplo Interpretación correcta
Resolución del instrumento 0,01 V Cambio pequeño que puede producir un cambio perceptible en la indicación, según las condiciones del sistema.
Resolución decimal de presentación 4,50 V La última cifra escrita se encuentra en centésimas de voltio.
Incertidumbre U=0,06 V Cantidad evaluada mediante un modelo de incertidumbre y cuyo significado debe especificarse.

5.8. La última cifra escrita no determina automáticamente la incertidumbre

AVANZADO · ●●●○

Consideremos:

L=3,75 mm.

La última cifra está escrita en:

0,01 mm.

De esto sí podemos afirmar:

la cantidad se ha presentado hasta centésimas de milímetro.

Pero no podemos deducir automáticamente:

u=0,01 mm

ni:

U=0,01 mm

ni:

L=(3,75±0,01) mm.

Esas tres afirmaciones necesitarían información metrológica adicional.

Regla que descartamos

No utilizaremos:

última cifra = incertidumbre ±1 unidad de esa posición

como regla universal. La posición decimal puede orientar la presentación, pero no reemplaza una evaluación de incertidumbre.

Figura 5.4. Una última cifra escrita no determina por sí sola un intervalo de incertidumbre
L=3,75 mm SÍ PODEMOS AFIRMAR última posición escrita = 0,01 mm NO PODEMOS DEDUCIR incertidumbre = ±0,01 mm para conocer la incertidumbre necesitamos información del proceso de medición
Nota. La posición de la última cifra escrita describe la presentación numérica; una incertidumbre requiere una evaluación y una definición de la cantidad comunicada. Elaboración propia.
DEMOSTRACIÓN 2 · INTERMEDIO · ●●○○

5.9. Cuando la incertidumbre sí está disponible

Supongamos un resultado hipotético cuya evaluación produjo:

valor medido = 3,75 mm
incertidumbre expandida U=0,06 mm
factor de cobertura k=2

Entonces puede comunicarse:

L=(3,75±0,06) mm

acompañado por:

U=0,06 mm · k=2

Ahora el símbolo:

±

tiene un significado explícito:

la cantidad que sigue es una incertidumbre expandida.

El valor principal y la incertidumbre terminan en la misma posición decimal, de acuerdo con las recomendaciones de presentación del GUM (JCGM, 2008).

5.10. Cuando conocemos la incertidumbre, ella gobierna la presentación final

La GUM recomienda que el valor medido y su incertidumbre se comuniquen con posiciones decimales coherentes (JCGM, 2008).

En términos prácticos:

incertidumbre primero → posición decimal final después

Por ejemplo, si una evaluación produce:

u=0,028 V

una presentación coherente puede conservar:

u=0,028 V

y llevar el valor principal hasta milésimas de voltio.

Si en cambio se decide reportar:

u≈0,03 V

el valor principal deberá terminar en centésimas de voltio.

Principio editorial del capítulo
cuando la incertidumbre está disponible, las cifras reportadas quedan subordinadas a ella

Tabla 5.3. Qué puede y qué no puede inferirse de los dígitos escritos

Observación Inferencia válida Inferencia no justificada
3,75 mm Se presenta hasta centésimas de milímetro. u=0,01 mm.
4,50 V Contiene tres cifras significativas. El instrumento tiene necesariamente resolución 0,01 V.
2,30 µm Comunica un dígito más que 2,3 µm. Es automáticamente diez veces más exacta.
12,345678 El número contiene muchos dígitos. Todos están experimentalmente respaldados.

5.11. El símbolo ± siempre necesita contexto

AVANZADO · ●●●○

La expresión:

x±a

no posee un significado metrológico único.

La cantidad:

a

podría representar:

  • una incertidumbre expandida;
  • el semiancho de un intervalo;
  • una tolerancia;
  • un límite especificado;
  • otra cantidad definida por el contexto.

Por eso no escribiremos:

3,75±0,01 mm

sin explicar qué significa:

0,01 mm.

NIST también recomienda que cuando se informa una incertidumbre expandida se indique el factor de cobertura utilizado (Taylor & Kuyatt, 1994).

5.12. Un resultado de medición es más que un número

El VIM define el resultado de medición como un conjunto de valores atribuidos al mensurando junto con la información relevante disponible. Generalmente se expresa mediante un valor medido y una incertidumbre (JCGM, 2012).

Esto conduce a una idea fundamental:

número escrito ≠ resultado metrológico completo
Figura 5.5. De la lectura numérica al resultado de medición
FENÓMENO O MENSURANDO SISTEMA DE MEDICIÓN INDICACIÓN VALOR MEDIDO EVALUACIÓN DE INCERTIDUMBRE RESULTADO COMUNICADO valor + unidad + incertidumbre + contexto las cifras significativas actúan en la comunicación, no reemplazan esta cadena
Nota. La cadena resume la diferencia entre obtener una indicación, asignar un valor al mensurando y comunicar un resultado con información suficiente. Elaboración propia.
DEMOSTRACIÓN 3 · INTERMEDIO · ●●○○

5.13. Dos voltímetros pueden mostrar diferente cantidad de dígitos

Supongamos dos indicaciones:

Instrumento A → 4,5 V
Instrumento B → 4,50 V

Podemos decir:

A muestra 2 cifras significativas.
B muestra 3 cifras significativas.

También podemos reconocer:

A termina en décimas de voltio.
B termina en centésimas de voltio.

Pero solo a partir de esas pantallas no sabemos:

cuál es más exacto
cuál tiene menor incertidumbre
cuál tiene menor sesgo

Para responder esas preguntas necesitaríamos especificaciones, calibración, condiciones de uso y un análisis de incertidumbre.

5.14. Errores frecuentes

Error 1 · Más decimales = más exactitud

Los dígitos adicionales pueden ser simples resultados de cálculo o de formato.

Error 2 · La última cifra es siempre la incertidumbre

La posición decimal no determina automáticamente u ni U.

Error 3 · Resolución = precisión

La precisión describe concordancia entre mediciones repetidas; la resolución describe capacidad de respuesta del sistema.

Error 4 · 2,3 y 2,30 son exactamente la misma información

Son iguales aritméticamente, pero pueden comunicar diferente detalle numérico.

Error 5 · Un cero final siempre es inútil

En una cantidad medida puede formar parte de las cifras que se decidió comunicar.

Error 6 · ± siempre significa incertidumbre estándar

El símbolo necesita que se declare qué representa la cantidad acompañante.

Error 7 · Todos los dígitos de una pantalla son igualmente confiables

La cantidad mostrada no sustituye las especificaciones ni la evaluación metrológica.

Error 8 · Las cifras significativas sustituyen la incertidumbre

Son herramientas distintas. Cuando la incertidumbre está disponible, ella debe gobernar la presentación final.

5.15. Práctica, respuestas y comprobación

FUNDAMENTAL · ●○○○

1. Indica cuáles afirmaciones son correctas:

  1. 2,3 y 2,30 poseen el mismo valor aritmético.
  2. 2,3 y 2,30 poseen el mismo número de cifras significativas.
  3. Una calculadora con diez decimales demuestra que la medición posee diez decimales de exactitud.
  4. La última cifra escrita indica la posición decimal hasta la cual se presentó el valor.
INTERMEDIO · ●●○○

2. Compara:

7,2 V

con:

7,20 V.
  1. ¿Poseen el mismo valor aritmético?
  2. ¿Cuántas cifras significativas posee cada uno?
  3. ¿Cuál es la posición de la última cifra escrita en cada caso?
  4. ¿Puedes deducir la incertidumbre de cada medición?
AVANZADO · ●●●○

3. Analiza la afirmación:

«Si se escribe 5,37 mm, la incertidumbre es ±0,01 mm».

Explica por qué la afirmación contiene una inferencia que no está justificada únicamente por la escritura del número.

PROFUNDIZACIÓN · ●●●●

4. Una medición se comunica como:

V=(12,347±0,021) V

y se especifica que:

U=0,021 V · k=2.
  1. ¿Qué representa 12,347 V?
  2. ¿Qué representa 0,021 V?
  3. ¿Por qué ambas cantidades terminan en la misma posición decimal?
  4. ¿Qué información adicional proporciona k=2?

Respuestas orientadoras

Ejercicio 1

1. Correcta.
2. Incorrecta.
3. Incorrecta.
4. Correcta.

Ejercicio 2

Ambos poseen el mismo valor aritmético.

7,2 V → 2 cifras significativas
7,20 V → 3 cifras significativas

Las últimas posiciones escritas son:

0,1 V y 0,01 V

respectivamente. Sin información adicional, no puede deducirse la incertidumbre de ninguna de las dos.

Ejercicio 3

La escritura 5,37 mm solo permite reconocer que el valor se presentó hasta centésimas de milímetro. No informa cómo se evaluaron la repetibilidad, la resolución instrumental, la calibración ni otras fuentes de incertidumbre.

Ejercicio 4

12,347 V es el valor comunicado. 0,021 V es la incertidumbre expandida declarada. Ambas terminan en milésimas de voltio, lo que mantiene coherencia en la posición decimal. El valor k=2 identifica el factor utilizado para obtener U a partir de la incertidumbre estándar combinada.

Comprueba lo aprendido

  1. ¿Qué función cumplen las cifras significativas?
  2. ¿Por qué los dígitos de una calculadora no son evidencia de calidad experimental?
  3. ¿Son aritméticamente distintos 2,3 y 2,30?
  4. ¿Comunican necesariamente el mismo detalle numérico?
  5. ¿Qué significa resolución decimal de presentación?
  6. ¿Es una propiedad metrológica del instrumento?
  7. ¿Qué es la resolución del instrumento?
  8. ¿Por qué resolución y precisión no son sinónimos?
  9. ¿Puede deducirse u a partir de la última cifra escrita?
  10. ¿Puede deducirse U?
  11. ¿Qué debe acompañar al símbolo ±?
  12. ¿Qué ocurre con las cifras reportadas cuando conocemos la incertidumbre?
  13. ¿Por qué 4,50 V no es automáticamente más exacto que 4,5 V?
  14. ¿Qué diferencia existe entre un valor numérico y un resultado de medición?

5.16. Síntesis de la Parte 1

Las cifras significativas ayudan a decidir qué dígitos se comunican, pero no constituyen por sí mismas una evaluación metrológica.

más dígitos ≠ mayor exactitud

Hemos distinguido:

cifras significativas

resolución del instrumento

incertidumbre

También aprendimos que:

2,3 = 2,30 aritméticamente
pero no poseen la misma cantidad de cifras significativas

Y establecimos una regla que permanecerá durante todo el capítulo:

cuando la incertidumbre está disponible, la presentación final del valor debe ser coherente con ella

En la Parte 2 aprenderemos cómo identificar correctamente las cifras significativas de cualquier número.

Referencias

Joint Committee for Guides in Metrology. (2008). Evaluation of measurement data—Guide to the expression of uncertainty in measurement (JCGM 100:2008). Bureau International des Poids et Mesures. https://doi.org/10.59161/JCGM100-2008E

Joint Committee for Guides in Metrology. (2012). International vocabulary of metrology—Basic and general concepts and associated terms (VIM) (3rd ed., JCGM 200:2012). Bureau International des Poids et Mesures. https://doi.org/10.59161/JCGM200-2012

Taylor, B. N., & Kuyatt, C. E. (1994). Guidelines for evaluating and expressing the uncertainty of NIST measurement results (NIST Technical Note 1297). National Institute of Standards and Technology. https://doi.org/10.6028/NIST.TN.1297

Thompson, A., & Taylor, B. N. (2008). Guide for the use of the International System of Units (SI) (NIST Special Publication 811, 2008 ed.). National Institute of Standards and Technology. https://doi.org/10.6028/NIST.SP.811e2008

SIGUE · PARTE 2 DE 9

Cómo identificar correctamente las cifras significativas

Ya sabemos qué función cumplen. Ahora aprenderemos a reconocerlas.

Estudiaremos:

dígitos distintos de cero
ceros intermedios
ceros iniciales
ceros finales
enteros ambiguos
notación científica
números exactos y factores definidos

Y resolveremos preguntas como:

¿cuántas cifras significativas tiene 0,00250?
¿qué significa realmente escribir 600?
¿por qué 6×10², 6,0×10² y 6,00×10² no comunican lo mismo?

La Parte 2 comienza en 5.17 · Figura 5.6 · Tabla 5.4 · Demostración 4 .

ANÁLISIS DE CIRCUITOS EN INGENIERÍA
CAPÍTULO 5 · PARTE 2 DE 9

Cómo identificar correctamente las cifras significativas

Ceros, enteros ambiguos, notación científica y números exactos

posición · ceros · ambigüedad · notación científica · exactitud matemática

Al finalizar esta parte podrás:
identificar las cifras significativas de una cantidad escrita;
explicar por qué los ceros iniciales no son cifras significativas;
reconocer cuándo un cero intermedio sí es significativo;
interpretar los ceros finales en cantidades decimales;
reconocer la ambigüedad de los enteros terminados en cero;
utilizar notación científica para comunicar explícitamente el número de cifras significativas;
distinguir números medidos de conteos exactos y factores definidos;
evitar inferencias metrológicas que no se derivan del simple conteo de cifras.

5.17. Una regla útil: comenzar en el primer dígito distinto de cero

FUNDAMENTAL · ●○○○

Para identificar cifras significativas conviene comenzar con una idea sencilla:

localizar el primer dígito distinto de cero

A partir de allí, los dígitos deben analizarse según su posición.

Por ejemplo:

0,00250

Los primeros ceros solo sitúan el separador decimal.

El primer dígito distinto de cero es:

2

y desde él aparecen:

2 · 5 · 0

Por tanto:

0,00250 tiene 3 cifras significativas.
Figura 5.6. Localización de las cifras significativas en 0,00250
0,00250 CEROS INICIALES sitúan la coma no cuentan 2 · 5 · 0 cifras significativas total = 3 los ceros no tienen siempre la misma función
Nota. Los ceros iniciales únicamente establecen la posición decimal; el cero final, en cambio, forma parte de la escritura significativa de esta cantidad. Elaboración propia.

5.18. Dígitos distintos de cero

La regla más sencilla es:

todo dígito distinto de cero que forme parte de la cantidad escrita es significativo.

Ejemplo:

482 g

Las cifras son:

4 · 8 · 2

Por tanto:

482 g → 3 cifras significativas.

Otro ejemplo:

9,174 m → 4 cifras significativas.

5.19. Ceros situados entre cifras significativas

FUNDAMENTAL · ●○○○

Un cero situado entre dígitos significativos también es significativo.

Por ejemplo:

606 s

contiene:

6 · 0 · 6

Por tanto:

606 s → 3 cifras significativas.

También:

10,05 V

contiene:

1 · 0 · 0 · 5

y por tanto:

10,05 V → 4 cifras significativas.

Tabla 5.4. Función de los ceros según su posición

Posición del cero Ejemplo ¿Cuenta? Razón
Antes del primer dígito distinto de cero 0,0042 No Solo localiza la posición decimal.
Entre cifras significativas 606 Forma parte de la secuencia significativa.
Final de una cantidad decimal 2,300 Expresa el detalle decimal que se decidió comunicar.
Final de un entero sin información adicional 600 Ambiguo La escritura no indica cuántos ceros se pretende considerar significativos.
DEMOSTRACIÓN 4 · FUNDAMENTAL · ●○○○

5.20. Ceros iniciales: 0,000415 kg

Consideremos:

0,000415 kg

Los ceros anteriores al 4 únicamente sitúan el número en la escala adecuada.

primer dígito distinto de cero = 4

Desde allí encontramos:

4 · 1 · 5

Por tanto:

0,000415 kg tiene 3 cifras significativas.

La misma cantidad puede escribirse:

4,15 × 10−4 kg

La potencia de diez cambia la escala, pero no modifica el número de cifras significativas del coeficiente.

5.21. Los ceros iniciales no son cifras significativas

Consideremos:

0,03 A

La única cifra significativa es:

3

Por tanto:

0,03 A → 1 cifra significativa.

Los ceros iniciales indican:

dónde se encuentra el valor en la escala decimal

pero no añaden cifras significativas.

Prueba rápida

Si cambiar la unidad elimina esos ceros sin cambiar la información, probablemente eran ceros de posición.

0,0035 m = 3,5 mm

Ambas escrituras conservan las mismas dos cifras significativas: 3 y 5.

Figura 5.7. Cambiar de unidad no cambia el número de cifras significativas
0,0035 m cifras: 3 y 5 2 C.S. 3,5 mm cifras: 3 y 5 2 C.S. cambiar la unidad no crea ni elimina información medida
Nota. Los ceros iniciales de 0,0035 m desaparecen al expresar la misma cantidad en milímetros; las dos cifras significativas permanecen. Elaboración propia.

5.22. Ceros finales después del separador decimal

INTERMEDIO · ●●○○

En cantidades expresadas con separador decimal, los ceros finales escritos se consideran parte de las cifras significativas.

Por ejemplo:

45,0 g

contiene:

4 · 5 · 0

Por tanto:

45,0 g → 3 cifras significativas.

También:

2,000 m → 4 cifras significativas.

Y:

0,000410 A → 3 cifras significativas.

En este último caso:

4 · 1 · 0

son las cifras significativas.

Importante

Que el cero final cuente no significa que conozcamos automáticamente la incertidumbre de la medición.

0,410 → 3 C.S.

describe la escritura significativa, no una incertidumbre u=0,001.

DEMOSTRACIÓN 5 · INTERMEDIO · ●●○○

5.23. Comparación: 0,41 · 0,410 · 0,4100

Los tres números poseen el mismo valor aritmético:

0,41 = 0,410 = 0,4100.

Sin embargo:

0,41 → 2 cifras significativas.
0,410 → 3 cifras significativas.
0,4100 → 4 cifras significativas.

Las respectivas posiciones finales escritas son:

centésimas
milésimas
diezmilésimas

La escritura comunica diferente detalle, pero la incertidumbre real solo puede establecerse con información adicional.

Figura 5.8. Mismo valor aritmético, diferente cantidad de cifras significativas
0,41 2 C.S. termina en 0,01 0,410 3 C.S. termina en 0,001 0,4100 4 C.S. termina en 0,0001 número de cifras significativas ≠ incertidumbre evaluada
Nota. Los tres números son aritméticamente iguales, pero la forma escrita conserva diferente cantidad de cifras significativas. Elaboración propia.

5.24. El caso delicado: enteros terminados en cero

INTERMEDIO · ●●○○

Consideremos:

600

¿Tiene una, dos o tres cifras significativas?

La escritura:

600

por sí sola puede ser ambigua.

Podría representar una cantidad que se desea comunicar como:

6 × 102

o:

6,0 × 102

o:

6,00 × 102.

Todas tienen el mismo valor aritmético:

600

pero no comunican la misma cantidad de cifras significativas.

Tabla 5.5. Cómo eliminar la ambigüedad del entero 600

Escritura Cifras significativas Interpretación
6 × 102 1 Solo el 6 se conserva como cifra significativa.
6,0 × 102 2 Se conservan 6 y 0.
6,00 × 102 3 Se conservan 6, 0 y 0.

5.25. La notación científica resuelve la ambigüedad

La notación científica utiliza:

a × 10n

donde:

1 ≤ |a| < 10.

El número de cifras significativas se determina observando el coeficiente:

a.

Por ejemplo:

4 × 102 m → 1 C.S.
4,0 × 102 m → 2 C.S.
4,00 × 102 m → 3 C.S.

La potencia:

102

establece la escala, pero no añade cifras significativas al coeficiente.

Figura 5.9. El coeficiente de la notación científica hace explícitas las cifras significativas
MISMO VALOR ARITMÉTICO 6 × 10² 1 C.S. 6,0 × 10² 2 C.S. 6,00 × 10² 3 C.S. 600 la notación científica elimina la ambigüedad de la escritura entera
Nota. La notación científica permite expresar de manera inequívoca cuántas cifras significativas se han conservado en un entero terminado en ceros. Elaboración propia.
DEMOSTRACIÓN 6 · INTERMEDIO · ●●○○

5.26. ¿Cuántas cifras significativas tiene 700?

Escrito simplemente como:

700

el número de cifras significativas puede ser ambiguo.

Si queremos una:

1 cifra significativa → 7 × 102

Si queremos dos:

2 cifras significativas → 7,0 × 102

Si queremos tres:

3 cifras significativas → 7,00 × 102

Por eso, cuando la cantidad de cifras significativas importa, la notación científica es preferible a confiar en una interpretación implícita.

5.27. Números exactos

INTERMEDIO · ●●○○

No todos los números de un cálculo proceden de una medición.

Algunos son:

exactos por conteo

o:

exactos por definición.

Por ejemplo, si un circuito contiene:

3 resistores

el número:

3

es un conteo exacto.

No debe interpretarse como una medición con una sola cifra significativa.

De manera conceptual, podemos decir que un número exacto no limita el resultado por una regla de cifras significativas.

5.28. Factores definidos

También existen relaciones establecidas exactamente por definición.

Por ejemplo:

1 km = 1.000 m

En esta igualdad, el factor:

1.000

no representa una medición con una cifra significativa.

Es parte de una definición exacta entre unidades.

Por tanto, una conversión exacta de unidades no debe reducir artificialmente el número de cifras significativas.

Tabla 5.6. Cantidades medidas y números exactos cumplen funciones diferentes

Tipo Ejemplo ¿Limita por cifras significativas?
Cantidad medida 12,4 V Puede limitar la presentación de un resultado calculado.
Conteo exacto 4 resistores No.
Factor definido 1 km=1.000 m No.
Constante matemática exacta π No, si se utiliza con suficiente precisión numérica en el cálculo.

5.29. Constantes matemáticas como π

AVANZADO · ●●●○

Consideremos:

A=πd²/4.

En esta expresión:

π

y:

4

no proceden de mediciones experimentales.

El valor:

4

es exacto.

π es una constante matemática exacta, aunque cualquier representación decimal finita de π sea necesariamente aproximada.

Por eso, en un cálculo numérico debemos conservar suficientes dígitos de π para que la aproximación utilizada no domine innecesariamente el error numérico.

Distinción importante
constante exacta ≠ representación decimal exacta completa

π es exacto como entidad matemática, pero 3,14 es solo una aproximación decimal de π.

Figura 5.10. En un cálculo experimental no todos los números tienen el mismo origen
NÚMEROS EN UN CÁLCULO MEDIDOS 12,4 V provienen de medición CONTEOS 4 resistores exactos DEFINIDOS 1 km =1.000 m exactos CONSTANTES π exacta primero identifique el origen del número; después aplique reglas
Nota. Un cálculo científico puede mezclar cantidades medidas con números exactos. Las reglas de cifras significativas no deben tratar ambos tipos de la misma manera. Elaboración propia.
DEMOSTRACIÓN 7 · AVANZADO · ●●●○

5.30. ¿El número 2 limita las cifras significativas en r=d/2?

Supongamos:

d=12,46 mm

y:

r=d/2.

El número:

2

surge de la definición geométrica entre diámetro y radio.

Es:

un factor exacto.

Por tanto, no debemos concluir:

«el resultado debe tener una cifra significativa porque 2 tiene un solo dígito».

Calculamos:

r=12,46/2 mm.
r=6,230 mm

El número de cifras justificadas en el resultado dependerá de la información de la cantidad medida d y, cuando esté disponible, de su incertidumbre; no del factor exacto 2.

5.31. Método general para contar cifras significativas

Podemos resumir el procedimiento en cuatro pasos.

Paso 1

Localice el primer dígito distinto de cero.
Paso 2

Desde allí, conserve los dígitos siguientes; los ceros intermedios cuentan.
Paso 3

Si hay ceros finales después del separador decimal, cuentan como cifras significativas.
Paso 4

Si un entero termina en ceros y la intención es ambigua, use notación científica.
Figura 5.11. Árbol de decisión para identificar cifras significativas
ANALICE CADA DÍGITO ¿ES DISTINTO DE CERO? sí → significativo SI ES CERO: examine su posición INICIAL antes del primer dígito no nulo NO CUENTA INTERMEDIO entre cifras significativas SÍ CUENTA FINAL DECIMAL después del separador decimal SÍ CUENTA FINAL ENTERO sin información adicional AMBIGUO en caso de ambigüedad → use notación científica
Nota. El árbol resume una convención práctica para interpretar la escritura numérica. No sustituye el análisis de incertidumbre de una medición. Elaboración propia.

5.32. Errores frecuentes

Error 1 · Todos los ceros no cuentan

Falso. Un cero intermedio o un cero final decimal puede ser significativo.

Error 2 · Todos los ceros cuentan

Falso. Los ceros anteriores al primer dígito distinto de cero solo ubican el separador decimal.

Error 3 · 600 siempre tiene una cifra significativa

Sin información adicional, la escritura puede ser ambigua.

Error 4 · La potencia de diez cuenta como cifra significativa

En notación científica, las cifras significativas se identifican en el coeficiente.

Error 5 · Un factor exacto limita el resultado

Un conteo o una relación definida exactamente no limita el resultado por una regla de cifras significativas.

Error 6 · Tres cifras significativas significan una incertidumbre concreta

No. El número de cifras y la incertidumbre son conceptos relacionados, pero diferentes.

5.33. Práctica graduada

FUNDAMENTAL · ●○○○

1. Determina el número de cifras significativas:

  1. 37,2
  2. 0,0045
  3. 606
  4. 8,070
  5. 0,00250
INTERMEDIO · ●●○○

2. Explica qué función cumple cada cero:

  1. 0,00092
  2. 10,04
  3. 5,300
  4. 0,004070
AVANZADO · ●●●○

3. El número 4.000 se obtuvo como resultado experimental.

Explica por qué la escritura puede ser ambigua respecto del número de cifras significativas y propone tres formas de escribirlo con una, dos y cuatro cifras significativas.

PROFUNDIZACIÓN · ●●●●

4. Analiza:

A=πd²/4

si:

d=12,46 mm.

Explica por qué ni π ni 4 deben reducir artificialmente las cifras del resultado. Distingue entre:

  • constante matemática exacta;
  • factor exacto;
  • cantidad medida.

5.34. Respuestas orientadoras

Ejercicio 1
37,2 → 3 C.S.
0,0045 → 2 C.S.
606 → 3 C.S.
8,070 → 4 C.S.
0,00250 → 3 C.S.
Ejercicio 2

En 0,00092 los ceros son iniciales y no cuentan.

En 10,04 los dos ceros están entre cifras significativas y cuentan.

En 5,300 los dos ceros finales decimales cuentan.

En 0,004070: los ceros iniciales no cuentan; el cero entre 4 y 7 cuenta; el cero final también cuenta.

0,004070 → 4 C.S.
Ejercicio 3

La escritura 4.000 puede confundirse con la convención colombiana de millares. Si se pretende comunicar cifras significativas, la notación científica es más clara.

4 × 103 → 1 C.S.
4,0 × 103 → 2 C.S.
4,000 × 103 → 4 C.S.
Ejercicio 4

d es una cantidad medida. El factor 4 es exacto por la relación geométrica. π es una constante matemática exacta, aunque en cálculo numérico utilicemos una aproximación decimal.

Por tanto, la información experimental procede fundamentalmente de d y de su incertidumbre, no del número de dígitos con que escribamos π.

5.35. Comprueba lo aprendido

  1. ¿Qué función cumplen los ceros iniciales?
  2. ¿Por qué el cero de 606 sí cuenta?
  3. ¿Cuántas cifras significativas tiene 0,000410?
  4. ¿Por qué el último cero de 0,000410 cuenta?
  5. ¿Por qué 600 puede ser ambiguo?
  6. ¿Cómo escribirías 600 con dos cifras significativas?
  7. ¿La potencia 10³ añade cifras significativas?
  8. ¿Qué diferencia existe entre un conteo exacto y una cantidad medida?
  9. ¿Un factor definido limita el número de cifras significativas?
  10. ¿π es exacto?
  11. ¿3,14 es una representación exacta completa de π?
  12. ¿Por qué contar cifras significativas no permite obtener u?

5.36. Síntesis de la Parte 2

Identificar cifras significativas exige observar la posición y función de cada dígito.

dígitos distintos de cero → cuentan
ceros intermedios → cuentan
ceros iniciales → no cuentan
ceros finales decimales → cuentan

Cuando un entero termina en ceros:

la notación científica elimina la ambigüedad

También distinguimos:

cantidades medidas

conteos exactos

factores definidos

aproximaciones decimales de constantes matemáticas

Y conservamos la regla metrológica establecida en la Parte 1:

contar cifras significativas no equivale a evaluar incertidumbre

En la Parte 3 estudiaremos cómo redondear correctamente sin introducir sesgos ni errores innecesarios.

Referencias

Joint Committee for Guides in Metrology. (2008). Evaluation of measurement data—Guide to the expression of uncertainty in measurement (JCGM 100:2008). Bureau International des Poids et Mesures. https://doi.org/10.59161/JCGM100-2008E

Joint Committee for Guides in Metrology. (2012). International vocabulary of metrology—Basic and general concepts and associated terms (VIM) (3rd ed., JCGM 200:2012). Bureau International des Poids et Mesures. https://doi.org/10.59161/JCGM200-2012

Thompson, A., & Taylor, B. N. (2008). Guide for the use of the International System of Units (SI) (NIST Special Publication 811, 2008 ed.). National Institute of Standards and Technology. https://doi.org/10.6028/NIST.SP.811e2008

SIGUE · PARTE 3 DE 9

Redondear correctamente

Ya podemos identificar qué cifras contiene un número.

Ahora aparece una pregunta diferente:

si debemos eliminar cifras, ¿cómo decidimos qué valor conservar?

Estudiaremos:

dígito de corte
dígito posterior <5
dígito posterior >5
caso exacto de 5
redondeo al par
acarreo
redondeo intermedio y redondeo final

La Parte 3 comienza en 5.37 · Figura 5.12 · Tabla 5.7 · Demostración 8 .

ANÁLISIS DE CIRCUITOS EN INGENIERÍA
CAPÍTULO 5 · PARTE 3 DE 9

Redondear correctamente

Cómo eliminar dígitos sin modificar arbitrariamente la información numérica

aproximación · dígito de corte · mitad exacta · redondeo al par · acarreo

Al finalizar esta parte podrás:
distinguir truncamiento de redondeo;
identificar la última cifra que debe conservarse y el bloque que será descartado;
aplicar correctamente las reglas para valores menores y mayores que la mitad;
reconocer una mitad exacta;
aplicar el redondeo al par cuando se adopte este criterio;
resolver correctamente casos con acarreo;
evitar el doble redondeo y los redondeos intermedios innecesarios;
mantener coherencia entre un valor comunicado y una incertidumbre ya evaluada.

5.37. Redondear no es simplemente borrar cifras

FUNDAMENTAL · ●○○○

Supongamos que una calculadora produce:

3,14159265

y queremos presentar el número con cuatro cifras significativas.

Una posibilidad sería simplemente cortar:

3,141

pero eso sería un:

truncamiento

no un redondeo.

Para redondear debemos estudiar los dígitos que desaparecerán y decidir cuál de los valores permitidos representa mejor al número original.

redondear = reemplazar un número por una aproximación según una regla definida

5.38. Truncamiento y redondeo son procesos diferentes

Truncar

Consiste en eliminar todas las cifras posteriores al lugar seleccionado.

3,14159 → 3,141

No examina el valor de las cifras eliminadas.

Redondear

Examina el bloque que será descartado antes de decidir el valor final.

3,14159 → 3,142

porque el bloque eliminado está por encima de la mitad.

Figura 5.12. El redondeo selecciona el valor representativo más próximo según la regla adoptada
8,540 8,545 8,550 8,543 8,543 está más próximo a 8,54 que a 8,55 8,543 → 8,54
Nota. El ejemplo redondea 8,543 a tres cifras significativas. El punto medio entre 8,54 y 8,55 es 8,545. Elaboración propia.

5.39. Procedimiento general de redondeo

FUNDAMENTAL · ●○○○

Usaremos la siguiente secuencia.

Paso 1

Determine hasta qué posición o cuántas cifras desea conservar.
Paso 2

Identifique la última cifra que permanecerá.
Paso 3

Examine todo el bloque que será descartado, empezando por el dígito inmediatamente siguiente.
Paso 4

Aplique la regla correspondiente y elimine el bloque restante en una sola operación.

A la última cifra que se conservará la denominaremos aquí:

dígito de corte.

Es una expresión didáctica útil para identificar el lugar donde terminará el número redondeado.

Tabla 5.7. Regla de decisión para el redondeo

Bloque que se descarta Decisión sobre el dígito de corte Ejemplo
Comienza por 0, 1, 2, 3 o 4 Se conserva. 8,543 → 8,54
Comienza por 6, 7, 8 o 9 Se aumenta una unidad. 7,286 → 7,29
Comienza por 5 y después existe al menos un dígito distinto de cero Se aumenta una unidad. 3,14159 → 3,142
Es exactamente 5 o 5 seguido únicamente de ceros Si se adopta redondeo al par: conservar si el dígito de corte es par; aumentar si es impar. 2,09250 → 2,092
DEMOSTRACIÓN 8 · FUNDAMENTAL · ●○○○

5.40. Cuando el bloque descartado está por debajo de la mitad

Redondeemos:

8,543

a:

3 cifras significativas.

Conservaremos inicialmente:

8,54

El dígito de corte es:

4

El bloque eliminado comienza por:

3

Como:

3<5

el dígito de corte no cambia.

8,543 → 8,54

5.41. Cuando el bloque descartado supera la mitad

FUNDAMENTAL · ●○○○

Si el primer dígito descartado es:

6, 7, 8 o 9

la cantidad descartada supera la mitad de la unidad del último lugar conservado.

Por tanto:

el dígito de corte aumenta una unidad.

Por ejemplo:

7,286 → 7,29

al conservar tres cifras significativas.

Existe además un caso equivalente:

5 seguido por al menos una cifra distinta de cero.

Por ejemplo:

3,14159

al redondearse a cuatro cifras significativas no presenta una mitad exacta, porque después del 5 aparece:

9.

Por tanto:

3,14159 → 3,142.
DEMOSTRACIÓN 9 · INTERMEDIO · ●●○○

5.42. El 5 no siempre representa una mitad exacta

Redondeemos:

3,14159

a cuatro cifras significativas.

Conservamos inicialmente:

3,141

El bloque descartado es:

59

Aunque comienza por 5, existe después:

una cifra no nula: 9

Por tanto, el número original está por encima de la mitad exacta.

1 → 2
3,14159 → 3,142

La decisión debe basarse en todo el bloque descartado, no únicamente en mirar que el primer dígito sea 5.

5.43. El caso especial: una mitad exacta

AVANZADO · ●●●○

Existe una situación especial cuando el bloque descartado es:

5

o:

5 seguido únicamente por ceros.

En ese caso el número se encuentra exactamente a mitad de camino entre dos resultados posibles.

Por ejemplo:

2,09250

redondeado a cuatro cifras significativas se encuentra exactamente entre:

2,092

y:

2,093.

Para resolver estos empates adoptaremos el:

redondeo al par.

Esta regla también aparece en las recomendaciones de redondeo de NIST (Thompson & Taylor, 2008).

Tabla 5.8. Regla del par para una mitad exacta

Último dígito que se conservaría Acción Resultado final
Par: 0, 2, 4, 6 u 8 Se conserva. El último dígito queda par.
Impar: 1, 3, 5, 7 o 9 Se aumenta una unidad. El último dígito queda par.
Figura 5.13. En una mitad exacta, el redondeo al par selecciona el resultado cuyo último dígito es par
CASO A · DÍGITO DE CORTE PAR 2,092 2,09250 2,093 mitad exacta → se elige 2,092 porque el último 2 es par CASO B · DÍGITO DE CORTE IMPAR 61,57 61,57500 61,58 mitad exacta → 7 es impar, aumenta a 8 el resultado final termina en un dígito par
Nota. El redondeo al par solo interviene cuando existe una mitad exacta: 5 sin cifras posteriores no nulas. Elaboración propia.
DEMOSTRACIÓN 10 · AVANZADO · ●●●○

5.44. Dos mitades exactas, dos decisiones diferentes

Primer caso:

2,09250 → 4 cifras significativas

Conservamos inicialmente:

2,092

El bloque descartado es:

50

Es una mitad exacta y el último dígito conservado es:

2 · par
2,09250 → 2,092

Segundo caso:

61,57500 → 4 cifras significativas

Conservamos inicialmente:

61,57

El bloque descartado es:

500

También es una mitad exacta, pero el último dígito conservado es:

7 · impar

Por tanto:

7 → 8
61,57500 → 61,58

5.45. ¿Por qué utilizar redondeo al par?

PROFUNDIZACIÓN · ●●●●

Supongamos que, cada vez que apareciera una mitad exacta, adoptáramos automáticamente la regla:

si aparece 5 → siempre aumentar.

Si ese procedimiento se repitiera sobre una gran cantidad de datos con empates en ambas direcciones, todas las mitades exactas serían desplazadas hacia arriba.

El redondeo al par reparte los empates:

último dígito par

permanece
último dígito impar

aumenta

De esta forma se evita introducir una preferencia sistemática hacia arriba debida exclusivamente a la regla de desempate.

Atención

El redondeo al par es una regla de desempate. No debe aplicarse cuando el 5 está seguido por cualquier cifra distinta de cero.

5.46. El acarreo puede cambiar varias cifras

A veces aumentar una unidad el dígito de corte produce un:

acarreo.

Por ejemplo:

4,998

redondeado a tres cifras significativas.

Queremos conservar inicialmente:

4,99

y el siguiente dígito es:

8.

El último 9 debe aumentar:

9+1=10.

El acarreo continúa a través del 9 anterior:

4,99 → 5,00.

Por tanto:

4,998 → 5,00.

No escribimos simplemente:

5

porque en este ejercicio queremos conservar:

3 cifras significativas.
Figura 5.14. Propagación del acarreo al redondear 4,998 a tres cifras significativas
4,998 4 9 9 8 descartado aumentar el último 9 genera acarreo 5,00
Nota. El acarreo puede modificar varias posiciones, pero el resultado conserva las tres cifras significativas solicitadas. Elaboración propia.
DEMOSTRACIÓN 11 · INTERMEDIO · ●●○○

5.47. Resolver un acarreo sin perder las cifras solicitadas

4,998

Deseamos:

3 cifras significativas.

La parte que conservaríamos inicialmente es:

4,99

El siguiente dígito es:

8>5

Por tanto:

4,99 → 5,00
4,998 → 5,00

Los dos ceros finales son necesarios para conservar explícitamente las tres cifras significativas.

5.48. El signo no cambia la regla de redondeo

Si el número es negativo, la decisión se aplica a su magnitud numérica y después se conserva el signo.

Por ejemplo:

−7,286

a tres cifras significativas:

|−7,286|=7,286.

Como:

7,286 → 7,29

entonces:

−7,286 → −7,29.
Idea

El signo indica dirección o sentido algebraico; no altera cuál es el valor representable más próximo.

5.49. Redondear una sola vez: evitar el doble redondeo

AVANZADO · ●●●○

Cuando un número debe reducirse mucho, no conviene redondearlo en varias etapas sucesivas.

Consideremos:

2,451

y supongamos que necesitamos una sola cifra después de la coma.

Si redondeamos directamente:

2,451 → 2,5

porque el bloque descartado:

51

está por encima de la mitad.

Pero si hacemos dos redondeos:

2,451 → 2,45

y después:

2,45 → 2,4

mediante redondeo al par, obtenemos un resultado diferente.

el doble redondeo puede alterar el resultado final
Figura 5.15. El doble redondeo puede producir un resultado distinto del redondeo directo
2,451 REDONDEO DIRECTO 2,451 → 2,5 se examina 51 como bloque DOBLE REDONDEO 2,451 → 2,45 2,45 → 2,4 examine todos los dígitos descartados en una sola decisión
Nota. El ejemplo muestra un caso de doble redondeo. Cuando se conoce el valor original, debe redondearse directamente al nivel final requerido. Elaboración propia.

5.50. En cálculos de varios pasos, conservar información intermedia

Redondear introduce una aproximación.

Por eso, si un cálculo todavía no ha terminado, no conviene reducir prematuramente todos los resultados intermedios.

resultado intermedio → conservar cifras suficientes
resultado final → aplicar el criterio de presentación

Consideremos:

19,70 ÷ 4,2 ≈ 4,690476…

Si el cálculo continúa, es preferible conservar ese valor o suficientes cifras de guarda, en lugar de reemplazarlo inmediatamente por:

4,7.

La razón es sencilla:

cada redondeo modifica ligeramente el número utilizado en el paso siguiente.
Regla práctica

No redondear arbitrariamente en cada paso. Conservar suficientes cifras durante el cálculo y efectuar el redondeo de presentación cuando corresponda al resultado final.

5.51. Cuando el resultado ya tiene una incertidumbre evaluada

AVANZADO · ●●●○

En la Parte 1 establecimos que la posición de la última cifra escrita no permite inventar una incertidumbre.

La situación es diferente cuando la incertidumbre ya ha sido evaluada.

Por ejemplo:

85,6342 V

con una incertidumbre ya comunicada como:

U=0,04 V.

La incertidumbre termina en centésimas de voltio.

El valor principal debe expresarse en una posición decimal coherente:

85,63 V.

Por tanto, si 0,04 V es una incertidumbre expandida debidamente definida:

V=(85,63±0,04) V.

La GUM recomienda evitar un número excesivo de cifras en la incertidumbre y expresar el valor estimado hasta la misma posición decimal que la incertidumbre comunicada (JCGM, 2008).

Importante

Aquí no estamos deduciendo U a partir de 85,6342. Partimos de una incertidumbre que ya fue evaluada por un procedimiento metrológico.

Figura 5.16. Cuando la incertidumbre está disponible, la posición decimal del valor se armoniza con ella
VALOR CALCULADO 85,6342 V INCERTIDUMBRE U=0,04 V POSICIÓN FINAL centésimas V=(85,63±0,04) V la incertidumbre fue evaluada antes de decidir la presentación
Nota. Ejemplo didáctico hipotético. Se supone que 0,04 V es una incertidumbre expandida ya evaluada y definida. Elaboración propia.

Tabla 5.9. Ejemplos de redondeo cuando la incertidumbre ya está establecida

Valor antes de presentar Incertidumbre ya evaluada Valor armonizado
3,34 0,1 3,3
85,6342 0,04 85,63
1,4142136 0,002 1,414

5.52. Errores frecuentes

Error 1 · Redondear = cortar

Truncar elimina cifras sin considerar su valor. Redondear aplica una regla de aproximación.

Error 2 · Todo 5 hace aumentar

No si se adopta redondeo al par y el 5 representa una mitad exacta.

Error 3 · Mirar solo el primer 5

3,14159 no es una mitad exacta: después del 5 aparece un 9.

Error 4 · Redondear cada cifra por separado

El bloque descartado se considera en una sola decisión.

Error 5 · Redondear cada resultado intermedio

Puede acumular aproximaciones y modificar la respuesta final.

Error 6 · Ignorar el acarreo

En casos como 4,998, el incremento puede propagarse por varias posiciones.

Error 7 · Perder ceros significativos después de un acarreo

Si se solicitan tres cifras significativas, 4,998 se presenta como 5,00, no como 5.

Error 8 · Inventar la incertidumbre a partir del redondeo

Redondear un valor hasta centésimas no implica automáticamente una incertidumbre de ±0,01.

5.53. Práctica graduada, respuestas y comprobación

FUNDAMENTAL · ●○○○

1. Redondea según se indica:

  1. 6,274 a tres cifras significativas.
  2. 9,167 a tres cifras significativas.
  3. 0,004376 a tres cifras significativas.
  4. 73,142 a cuatro cifras significativas.
INTERMEDIO · ●●○○

2. Aplica redondeo al par en los empates exactos:

  1. 4,3650 a tres cifras significativas.
  2. 4,3750 a tres cifras significativas.
  3. 28,450 a tres cifras significativas.
  4. 28,550 a tres cifras significativas.
AVANZADO · ●●●○

3. Explica por qué:

6,2451

redondeado a tres cifras significativas no debe tratarse como un empate exacto, aunque el primer dígito eliminado sea 5.

PROFUNDIZACIÓN · ●●●●

4. Investiga el doble redondeo:

2,451

Compara:

  1. redondear directamente a una cifra decimal;
  2. redondear primero a dos decimales y después a uno.

Explica por qué los resultados pueden ser distintos.

Respuestas orientadoras

Ejercicio 1
6,274 → 6,27
9,167 → 9,17
0,004376 → 0,00438
73,142 → 73,14
Ejercicio 2

En todos los casos el 5 es exacto o está seguido solamente de ceros.

4,3650 → 4,36

El 6 es par y permanece.

4,3750 → 4,38

El 7 es impar y aumenta a 8.

28,450 → 28,4

El 4 es par y permanece.

28,550 → 28,6

El 5 retenido es impar y aumenta a 6.

Ejercicio 3

En 6,2451, al conservar tres cifras significativas, el bloque eliminado es:

51

No es una mitad exacta porque después del 5 aparece una cifra distinta de cero.

6,2451 → 6,25
Ejercicio 4

Redondeo directo:

2,451 → 2,5

porque 51 está por encima de la mitad.

En dos pasos:

2,451 → 2,45 → 2,4

El segundo paso convierte 2,45 en una mitad exacta y activa artificialmente la regla del par. Por eso se debe redondear directamente desde el número original al nivel final requerido.

Comprueba lo aprendido

  1. ¿Qué diferencia existe entre truncar y redondear?
  2. ¿Qué denominamos dígito de corte?
  3. ¿Qué ocurre cuando el bloque descartado comienza por 3?
  4. ¿Qué ocurre cuando comienza por 8?
  5. ¿Es 5 seguido por 9 una mitad exacta?
  6. ¿Cuándo se aplica el redondeo al par?
  7. ¿Qué ocurre si el último dígito retenido es par?
  8. ¿Qué ocurre si es impar?
  9. ¿Por qué 4,998 se convierte en 5,00 al conservar tres cifras significativas?
  10. ¿Por qué no conviene redondear repetidamente?
  11. ¿Qué es un redondeo intermedio?
  12. ¿Por qué es preferible conservar cifras de guarda durante un cálculo?
  13. ¿Cómo se armoniza un valor con una incertidumbre ya evaluada?
  14. ¿Redondear hasta centésimas permite afirmar que u=0,01?

5.54. Síntesis de la Parte 3

Redondear significa reemplazar un número por una aproximación de menor detalle mediante una regla explícita.

bloque descartado < mitad → conservar
bloque descartado > mitad → aumentar

Cuando existe una mitad exacta y se adopta redondeo al par:

último dígito par → permanece
último dígito impar → aumenta

También aprendimos que:

truncar ≠ redondear
un 5 seguido por cifras no nulas ≠ mitad exacta
redondear varias veces ≠ redondear directamente

Y conservaremos durante todo el capítulo esta regla de cálculo:

conservar información durante los pasos intermedios y redondear cuando corresponda al resultado final

En la Parte 4 estudiaremos qué ocurre cuando sumamos, restamos, multiplicamos o dividimos cantidades medidas.

Referencias

Joint Committee for Guides in Metrology. (2008). Evaluation of measurement data—Guide to the expression of uncertainty in measurement (JCGM 100:2008). Bureau International des Poids et Mesures. https://doi.org/10.59161/JCGM100-2008E

Thompson, A., & Taylor, B. N. (2008). Guide for the use of the International System of Units (SI) (NIST Special Publication 811, 2008 ed.). National Institute of Standards and Technology. https://doi.org/10.6028/NIST.SP.811e2008

SIGUE · PARTE 4 DE 9

Operaciones con cantidades medidas

Ya sabemos:

qué cifras comunica un número

y:

cómo redondearlo correctamente.

Ahora aparece una nueva pregunta:

¿qué regla debemos aplicar cuando varios valores medidos intervienen en una operación?

Veremos que no existe una sola regla para todos los casos.

suma y resta

requieren estudiar la posición decimal, mientras que:

multiplicación y división

requieren un análisis diferente.

También estudiaremos:

cálculos de varios pasos
cifras de guarda
diferencia entre regla de cifras significativas y análisis formal de incertidumbre

La Parte 4 comienza en 5.55 · Figura 5.17 · Tabla 5.10 · Demostración 12 .

ANÁLISIS DE CIRCUITOS EN INGENIERÍA
CAPÍTULO 5 · PARTE 4 DE 9

Operaciones con cantidades medidas

Suma, resta, multiplicación, división y cifras de guarda

posición decimal · cifras significativas · cálculo · redondeo final · incertidumbre

Al finalizar esta parte podrás:
seleccionar la regla práctica apropiada según el tipo de operación;
aplicar el criterio de posición decimal en sumas y restas;
aplicar el criterio de cifras significativas en multiplicaciones y divisiones;
distinguir cifras significativas de posiciones decimales;
reconocer cuándo un número exacto no limita el resultado;
conservar cifras de guarda en cálculos de varios pasos;
explicar por qué estas reglas son heurísticas de presentación y no propagación formal de incertidumbre;
aplicar las reglas en ejemplos de circuitos eléctricos sin atribuirles un rigor metrológico que no poseen.

5.55. La operación realizada importa

FUNDAMENTAL · ●○○○

No existe una única regla de cifras significativas que pueda aplicarse indiscriminadamente a todas las operaciones.

Tradicionalmente se distinguen:

SUMA Y RESTA

importa la posición decimal hasta la cual están expresados los términos.
MULTIPLICACIÓN Y DIVISIÓN

se utiliza como regla práctica el número de cifras significativas de los operandos.

Por tanto, antes de redondear debemos preguntar:

¿qué operación estamos realizando?
Figura 5.17. Selección de la regla práctica según el tipo de operación
¿QUÉ OPERACIÓN SE REALIZA? SUMA O RESTA examinar POSICIÓN DECIMAL PRODUCTO O COCIENTE regla introductoria: CIFRAS SIGNIFICATIVAS conservar hasta la posición decimal limitante conservar tantas C.S. como el operando limitante
Nota. El esquema resume reglas pedagógicas tradicionales de presentación numérica. Cuando las incertidumbres de entrada están disponibles, debe preferirse un análisis explícito de propagación. Elaboración propia.

5.56. Dos reglas prácticas, dos preguntas diferentes

Para una suma o resta preguntamos:

¿hasta qué posición decimal está expresado cada término?

Para una multiplicación o división preguntamos, como regla introductoria:

¿cuántas cifras significativas posee cada operando medido?

Tabla 5.10. Comparación de las reglas prácticas de presentación

Operación Criterio práctico Pregunta clave
Suma Posición decimal ¿Cuál término llega a una posición decimal menos fina?
Resta Posición decimal ¿Cuál término llega a una posición decimal menos fina?
Multiplicación Número de cifras significativas ¿Qué operando medido posee menos C.S.?
División Número de cifras significativas ¿Qué operando medido posee menos C.S.?
Precisión terminológica

No llamaremos «precisión decimal» a la cantidad de decimales. En este capítulo hablaremos de posición decimal o de resolución decimal de presentación. La palabra precisión conserva el significado metrológico estudiado en el Capítulo 4.

5.57. Suma y resta: importa la posición decimal

INTERMEDIO · ●●○○

Consideremos:

92,396 g + 2,1 g.

El primer término está expresado hasta:

milésimas de gramo

mientras que el segundo llega únicamente hasta:

décimas de gramo.

La posición limitante para comunicar la suma será:

décimas.
DEMOSTRACIÓN 12 · INTERMEDIO · ●●○○

5.58. Suma de dos cantidades expresadas con diferente detalle decimal

Calculamos primero sin redondear:

92,396 g + 2,1 g = 94,496 g.

Analizamos las posiciones finales:

92,396 g → milésimas
2,1 g → décimas

La posición limitante es:

décimas de gramo.

Redondeamos el resultado:

94,496 g → 94,5 g.
92,396 g + 2,1 g = 94,5 g

Esta es una regla práctica de presentación. No hemos calculado aquí una incertidumbre combinada.

Figura 5.18. En suma y resta se comparan posiciones decimales, no cantidades de cifras significativas
ALINEACIÓN POR VALOR POSICIONAL 92,396 g + 2,1 g 94,496 g el término 2,1 llega solo a décimas resultado presentado → 94,5 g
Nota. La suma se realiza con los valores disponibles y el redondeo se aplica después. Elaboración propia.

5.59. ¿Por qué no usamos «el menor número de cifras significativas» en una suma?

Consideremos:

100,0 m + 0,23 m.

El primer término tiene:

4 cifras significativas

y el segundo:

2 cifras significativas.

Si aplicáramos mecánicamente la regla «usar el menor número de cifras significativas», podríamos terminar presentando el resultado con dos C.S., lo cual no refleja correctamente el valor posicional de los sumandos.

Realizamos:

100,0 + 0,23 = 100,23 m.

Las posiciones finales son:

100,0 m → décimas
0,23 m → centésimas.

La posición limitante es:

décimas.

Por tanto:

100,0 m + 0,23 m → 100,2 m.

5.60. La misma regla se aplica a la resta

DEMOSTRACIÓN 13 · INTERMEDIO · ●●○○

Resta con posiciones decimales diferentes

Calculemos:

102,061 m − 1,03 m.

Sin redondear:

102,061 − 1,03 = 101,031 m.

Analizamos:

102,061 m → milésimas
1,03 m → centésimas

La posición limitante es:

centésimas.

Entonces:

101,031 m → 101,03 m.
102,061 m − 1,03 m = 101,03 m

5.61. Multiplicación y división: cambia el criterio práctico

INTERMEDIO · ●●○○

En productos y cocientes, la regla introductoria tradicional es:

el resultado se presenta con tantas cifras significativas como el operando medido que tenga menos cifras significativas.

Por ejemplo:

3,45 × 2,1.

Tenemos:

3,45 → 3 C.S.
2,1 → 2 C.S.

Por tanto, la regla práctica limita el resultado a:

2 cifras significativas.

Tabla 5.11. Ejemplos de productos y cocientes

Operación Resultado de calculadora Criterio Presentación
3,45 × 2,1 7,245 2 C.S. 7,2
19,70 ÷ 4,2 4,690476… 2 C.S. 4,7
4,52 × 3,10 14,012 3 C.S. 14,0

5.62. Multiplicación paso a paso

DEMOSTRACIÓN 14 · INTERMEDIO · ●●○○

Aplicar la regla de cifras significativas a un producto

Calculamos:

3,45 × 2,1 = 7,245.

Contamos:

3,45 → 3 C.S.
2,1 → 2 C.S.

El operando limitante posee:

2 C.S.

Al conservar dos cifras significativas:

7,245 → 7,2.
3,45 × 2,1 → 7,2

El bloque descartado es 45, que queda por debajo de la mitad de una décima.

5.63. División paso a paso

Consideremos:

19,70 ÷ 4,2.

La calculadora produce:

4,690476…

Los operandos contienen:

19,70 → 4 C.S.
4,2 → 2 C.S.

La regla práctica conduce a:

2 cifras significativas.

Por tanto:

19,70 ÷ 4,2 → 4,7.
Figura 5.19. En un producto o cociente, la regla introductoria identifica el operando limitante
19,70 4 C.S. 4,2 2 C.S. · limitante CÁLCULO 4,690476… 4,7
Nota. El procedimiento mostrado es una regla introductoria de presentación, no una evaluación de incertidumbre del cociente. Elaboración propia.

5.64. Los números exactos no deben convertirse en falsos limitantes

AVANZADO · ●●●○

Recordemos:

r=d/2.

El número:

2

es exacto por la relación geométrica entre radio y diámetro.

Si:

d=12,46 mm

no debemos razonar:

«2 tiene una cifra significativa, por tanto r debe tener una sola cifra significativa».

Eso sería incorrecto.

Calculamos:

r=12,46/2=6,230 mm.

El factor exacto 2 no limita la cantidad de información experimental.

DEMOSTRACIÓN 15 · AVANZADO · ●●●○

Número exacto frente a cantidad medida

d=12,46 mm
r=d/2

El diámetro es:

una cantidad medida

mientras que 2 es:

un factor exacto

Entonces:

r=12,46/2=6,230 mm.
el factor 2 no reduce la información disponible

La presentación definitiva del radio dependerá del propósito y, cuando se disponga de ella, de la incertidumbre asociada a d.

5.65. Cálculos de varios pasos: cifras de guarda

INTERMEDIO · ●●○○

Consideremos:

(19,70 ÷ 4,2) × 3,45.

El primer paso produce:

19,70 ÷ 4,2 = 4,690476…

Si redondeáramos inmediatamente:

4,690476… → 4,7

y luego multiplicáramos:

4,7 × 3,45 = 16,215.

Pero conservando el valor intermedio:

4,690476… × 3,45 ≈ 16,18214…

Los resultados difieren.

Por eso:

los resultados intermedios deben conservar suficientes cifras de guarda.
Figura 5.20. Redondeo prematuro frente a conservación de cifras de guarda
4,690476… REDONDEO PREMATURO 4,7 4,7 × 3,45 16,215 CIFRAS DE GUARDA 4,690476… × 3,45 16,18214… redondear solo cuando corresponda al resultado final
Nota. Las cifras de guarda reducen el efecto de aproximaciones prematuras durante cálculos de varios pasos. Elaboración propia.

5.66. Conversiones de unidades: distinguir factores exactos de factores medidos

Algunas conversiones entre unidades son exactas por definición.

Por ejemplo:

1 kΩ = 1.000 Ω.

El factor:

1.000

no posee una incertidumbre de medición.

Si:

R=2,20 kΩ

entonces:

R=2.200 Ω

sin que la conversión haya creado o destruido información.

Regla

Una conversión exacta de unidades cambia la representación numérica, no la información física disponible.

5.67. Aplicación a circuitos: ley de Ohm como cálculo introductorio

INTERMEDIO · ●●○○

Supongamos un resistor sometido a:

V=12,4 V

con:

R=2,20 kΩ.

Utilizamos:

I=V/R.

Los dos datos medidos poseen:

3 cifras significativas.

Por tanto, si únicamente utilizamos la regla introductoria de cifras significativas:

I=(12,4 V)/(2,20 kΩ).
I=5,63636… mA.

La presentación sería:

I≈5,64 mA.
Figura 5.21. Aplicación de una regla de cifras significativas a un cálculo con la ley de Ohm
12,4 V R=2,20 kΩ I I≈5,64 mA
Nota. Escenario didáctico. El cálculo utiliza únicamente una regla introductoria de cifras significativas. Si se conocen las incertidumbres de V y R, la incertidumbre de I debe evaluarse mediante propagación. Elaboración propia.

5.68. Las reglas de cifras significativas no sustituyen la propagación de incertidumbre

PROFUNDIZACIÓN · ●●●●

Este punto es fundamental.

Dos cantidades pueden poseer el mismo número de cifras significativas y, sin embargo, tener incertidumbres relativas muy diferentes.

Comparemos hipotéticamente:

x=(1,00±0,01)

y:

y=(9,99±0,01).

Ambas cantidades poseen:

3 cifras significativas.

Pero sus incertidumbres relativas son aproximadamente:

u(x)/x = 1 %

y:

u(y)/y ≈ 0,10 %.

Por tanto:

mismo número de cifras significativas ≠ misma calidad metrológica.

La GUM establece que la incertidumbre de un resultado calculado debe evaluarse a partir del modelo de medición, las incertidumbres de las magnitudes de entrada y, cuando corresponda, sus covarianzas (Joint Committee for Guides in Metrology [JCGM], 2008).

Tabla 5.12. Regla de cifras significativas frente a propagación de incertidumbre

Aspecto Regla de cifras significativas Propagación de incertidumbre
Propósito Presentación práctica aproximada Evaluación metrológica de la incertidumbre del resultado
Información utilizada Dígitos o posiciones decimales Modelo, incertidumbres de entrada y dependencias
Considera sensibilidad No explícitamente
Considera correlaciones No Sí, cuando existen
Resultado Cantidad de dígitos a presentar Incertidumbre estándar o expandida, según el análisis

5.69. Errores frecuentes

Error 1 · Usar la misma regla para todas las operaciones

Suma/resta y producto/cociente utilizan criterios prácticos diferentes.

Error 2 · Contar C.S. en una suma

En sumas y restas interesa la posición decimal limitante.

Error 3 · Usar cantidad de decimales en un producto

La regla introductoria de producto y cociente se formula con cifras significativas.

Error 4 · Tratar un factor exacto como si fuera una medición

Conteos y factores definidos no limitan el cálculo del mismo modo.

Error 5 · Redondear después de cada operación

Los redondeos intermedios pueden acumular modificaciones innecesarias.

Error 6 · Confundir dígitos con incertidumbre

Tres cifras significativas no representan una incertidumbre concreta.

Error 7 · Llamar «precisión decimal» al número de decimales

Mantendremos precisión para la propiedad metrológica definida en el Capítulo 4.

Error 8 · Sustituir propagación por una regla de C.S.

Cuando existen incertidumbres de entrada, el modelo de medición contiene más información que el simple conteo de dígitos.

5.70. Práctica graduada

FUNDAMENTAL · ●○○○

1. Presenta los resultados usando la regla práctica apropiada:

  1. 24,36 cm + 1,2 cm
  2. 81,427 g − 3,15 g
  3. 3,42 × 1,6
  4. 15,80 ÷ 2,3
INTERMEDIO · ●●○○

2. Analiza el siguiente cálculo:

(12,6 × 3,45) ÷ 2,1
  1. Obtén el resultado sin redondeos intermedios.
  2. Determina el número de C.S. para la presentación final usando la regla introductoria.
  3. Compara con el resultado obtenido si redondeas después de la primera multiplicación.
AVANZADO · ●●●○

3. Circuito resistivo

Una fuente proporciona:

V=9,80 V

y un resistor se expresa como:

R=1,50 kΩ.
  1. Calcula I=V/R.
  2. Presenta el resultado mediante la regla introductoria de cifras significativas.
  3. Explica por qué esa respuesta todavía no constituye una evaluación de incertidumbre de I.
PROFUNDIZACIÓN · ●●●●

4. Compara estas dos mediciones hipotéticas:

A=(1,00±0,01) V
B=(9,99±0,01) V

Ambas tienen tres cifras significativas.

  1. Calcula su incertidumbre relativa.
  2. Compara los resultados.
  3. Explica por qué el número de C.S. no permite evaluar por sí solo la calidad relativa de ambas mediciones.

5.71. Respuestas orientadoras y comprobación

Ejercicio 1
24,36 + 1,2 = 25,56 → 25,6 cm
81,427 − 3,15 = 78,277 → 78,28 g
3,42 × 1,6 = 5,472 → 5,5
15,80 ÷ 2,3 ≈ 6,869565 → 6,9
Ejercicio 2

Sin redondeo intermedio:

(12,6 × 3,45) ÷ 2,1 ≈ 20,7

Los operandos medidos poseen:

12,6 → 3 C.S.
3,45 → 3 C.S.
2,1 → 2 C.S.

Por la regla introductoria:

resultado final → 2 C.S. → 21

En cálculos más sensibles, un redondeo prematuro puede cambiar los últimos dígitos de la respuesta final.

Ejercicio 3
I=9,80 V / 1,50 kΩ
I=6,5333… mA
I≈6,53 mA

Ambos datos poseen tres cifras significativas. Sin embargo, para obtener una incertidumbre de I se necesitan las incertidumbres asociadas a V y R y el modelo de propagación correspondiente.

Ejercicio 4
0,01/1,00 = 1 %
0,01/9,99 ≈ 0,10 %

Las dos cantidades poseen tres cifras significativas, pero sus incertidumbres relativas difieren aproximadamente por un factor de diez.

Comprueba lo aprendido

  1. ¿Qué criterio práctico se utiliza en una suma?
  2. ¿Y en una resta?
  3. ¿Qué criterio introductorio se utiliza en una multiplicación?
  4. ¿Y en una división?
  5. ¿Por qué no conviene utilizar el menor número de C.S. en una suma?
  6. ¿Qué es una cifra de guarda?
  7. ¿Por qué no conviene redondear cada resultado intermedio?
  8. ¿Un factor exacto limita las C.S. del resultado?
  9. ¿Una conversión exacta de unidades modifica la información experimental?
  10. ¿Qué diferencia existe entre una regla de C.S. y una propagación de incertidumbre?
  11. ¿Dos números con tres C.S. tienen necesariamente la misma incertidumbre relativa?
  12. ¿Por qué no debemos usar «precisión decimal» como sinónimo de número de decimales?

5.72. Síntesis de la Parte 4

El tipo de operación determina qué regla práctica de presentación utilizamos.

suma y resta → posición decimal
multiplicación y división → cifras significativas

Pero también aprendimos que:

números medidos ≠ factores exactos
cálculo intermedio ≠ presentación final
cifras significativas ≠ incertidumbre

Para cálculos de varios pasos:

conservar cifras de guarda → completar el cálculo → redondear el resultado final

Y establecimos una distinción que será fundamental más adelante:

una regla de cifras significativas ayuda a presentar un número;
una propagación de incertidumbre evalúa la incertidumbre del resultado

En la Parte 5 estudiaremos cómo presentar correctamente un resultado científico o de ingeniería.

Referencias

Joint Committee for Guides in Metrology. (2008). Evaluation of measurement data—Guide to the expression of uncertainty in measurement (JCGM 100:2008). Bureau International des Poids et Mesures. https://doi.org/10.59161/JCGM100-2008E

Joint Committee for Guides in Metrology. (2012). International vocabulary of metrology—Basic and general concepts and associated terms (VIM) (3rd ed., JCGM 200:2012). Bureau International des Poids et Mesures. https://doi.org/10.59161/JCGM200-2012

Thompson, A., & Taylor, B. N. (2008). Guide for the use of the International System of Units (SI) (NIST Special Publication 811, 2008 ed.). National Institute of Standards and Technology. https://doi.org/10.6028/NIST.SP.811e2008

SIGUE · PARTE 5 DE 9

Cómo presentar correctamente un resultado

Ya sabemos calcular y redondear un resultado.

Pero todavía debemos decidir:

¿cómo debe escribirse?

Estudiaremos:

notación decimal
notación científica
notación de ingeniería
coherencia entre valor e incertidumbre
unidades y prefijos SI
presentación de valores muy grandes y muy pequeños
qué información debe acompañar a un resultado experimental

La Parte 5 comienza en 5.73 · Figura 5.22 · Tabla 5.13 · Demostración 16 .

ANÁLISIS DE CIRCUITOS EN INGENIERÍA
CAPÍTULO 5 · PARTE 5 DE 9

Cómo presentar correctamente un resultado

Notación decimal, científica, de ingeniería e incertidumbre

resultado · unidad · formato · escala · incertidumbre · comunicación

Al finalizar esta parte podrás:
distinguir valor de cálculo y resultado experimental comunicado;
diferenciar posiciones decimales de cifras significativas;
utilizar correctamente notación científica;
utilizar notación de ingeniería y relacionarla con prefijos del SI;
seleccionar un formato adecuado según la magnitud y el propósito;
armonizar la posición decimal del valor con una incertidumbre ya evaluada;
distinguir incertidumbre estándar de incertidumbre expandida;
comunicar un resultado indicando valor, unidad, incertidumbre y contexto metrológico.

5.73. Obtener el número no termina el problema

FUNDAMENTAL · ●○○○

Una calculadora puede producir:

0,45359237

pero todavía debemos decidir cómo comunicar ese número.

Por ejemplo, puede escribirse como:

0,4536

o:

4,536 × 10−1

o:

453,6 × 10−3.

Las tres expresiones pueden representar el mismo valor aproximado, pero utilizan formas diferentes de presentación.

calcular un resultado ≠ comunicar un resultado
Figura 5.22. Un mismo valor puede escribirse mediante formatos diferentes
0,4536 kg DECIMAL 0,4536 kg forma directa CIENTÍFICA 4,536 × 10⁻¹ kg 1 ≤ |a| < 10 INGENIERÍA 453,6 × 10⁻³ kg exponente múltiplo de 3 cambiar el formato no cambia automáticamente la calidad del dato
Nota. Las representaciones mostradas conservan cuatro cifras significativas. El formato y la cantidad de cifras son decisiones distintas. Elaboración propia.

5.74. Valor de trabajo y resultado final

INTERMEDIO · ●●○○

Durante un cálculo puede ser útil conservar:

0,45359237

porque esos dígitos ayudan a evitar redondeos prematuros.

En ese contexto hablamos de:

valor de trabajo o valor intermedio.

Pero si el número representa el resultado final de una medición, la decisión cambia.

La presentación debe considerar:

  • la incertidumbre evaluada;
  • la unidad;
  • la escala adecuada;
  • la legibilidad;
  • el propósito de la comunicación.
Distinción fundamental
dígitos útiles para calcular ≠ dígitos justificados para reportar

5.75. Posiciones decimales y cifras significativas no son lo mismo

Consideremos:

0,0254

Este número posee:

4 posiciones después de la coma

pero:

3 cifras significativas.

Los ceros iniciales solo sitúan el valor decimal.

Por tanto:

número de decimales ≠ número de cifras significativas.

Tabla 5.13. Posiciones decimales y cifras significativas responden a preguntas diferentes

Número Posiciones decimales Cifras significativas
0,0254 4 3
0,02540 5 4
125,3000 4 7
4,500 3 4
DEMOSTRACIÓN 16 · INTERMEDIO · ●●○○

5.76. Cuatro decimales no significa cuatro cifras significativas

Consideremos:

0,0254 m

Después de la coma aparecen:

4 posiciones decimales.

Pero los ceros iniciales no cuentan.

Las cifras significativas son:

2 · 5 · 4
0,0254 m → 3 C.S.

Si queremos expresar cuatro cifras significativas:

0,02540 m

El cero final añade una cifra significativa, aunque el valor aritmético sea el mismo.

5.77. Notación científica

INTERMEDIO · ●●○○

En notación científica escribimos:

a × 10n

donde:

1 ≤ |a| < 10

y:

n

es un número entero.

Por ejemplo:

0,0254 m = 2,54 × 10−2 m.

También:

47.000 Ω = 4,7 × 104 Ω

si se desean comunicar dos cifras significativas.

La potencia de diez:

no añade ni elimina cifras significativas.

5.78. Notación de ingeniería

INTERMEDIO · ●●○○

La notación de ingeniería se parece a la notación científica, pero exige:

exponente múltiplo de 3.

La secuencia de exponentes es:

…, −12, −9, −6, −3, 0, 3, 6, 9, 12, …

Por ejemplo:

0,0254 m = 25,4 × 10−3 m.

Y:

47.000 Ω = 47 × 103 Ω.

Esta forma es especialmente útil en ingeniería porque se conecta directamente con los prefijos del Sistema Internacional.

Figura 5.23. Diferencia entre notación científica y notación de ingeniería
NOTACIÓN CIENTÍFICA 2,54 × 10⁻² m exponente = −2 no necesita ser múltiplo de 3 NOTACIÓN DE INGENIERÍA 25,4 × 10⁻³ m exponente = −3 múltiplo de 3 ambos representan la misma cantidad
Nota. La diferencia reside en la elección del exponente. Elaboración propia.

5.79. Notación de ingeniería y prefijos SI

Los exponentes múltiplos de tres se relacionan naturalmente con prefijos del SI.

Tabla 5.14. Algunos prefijos del SI de uso frecuente en ingeniería

Factor Prefijo Símbolo Ejemplo eléctrico
109 giga G 1 GΩ
106 mega M 10 MΩ
103 kilo k 47 kΩ
10−3 mili m 2,5 mA
10−6 micro µ 220 µA
10−9 nano n 47 nF
10−12 pico p 100 pF

El Sistema Internacional define los prefijos y sus símbolos de manera independiente de las cifras significativas (Bureau International des Poids et Mesures [BIPM], 2026).

47 × 103 Ω = 47 kΩ.

La sustitución de:

103 Ω

por:

no cambia la información numérica del resultado.

DEMOSTRACIÓN 17 · INTERMEDIO · ●●○○

5.80. De notación científica a notación de ingeniería

Consideremos:

R=4,70 × 104 Ω

En notación de ingeniería queremos un exponente múltiplo de tres.

4,70 × 104 Ω = 47,0 × 103 Ω

Utilizamos:

103 Ω = kΩ
R=47,0 kΩ

El número de cifras significativas sigue siendo:

3.

Cambiar de notación no crea ni elimina información medida.

5.81. El formato no determina el número de cifras significativas

INTERMEDIO · ●●○○

Podemos escribir:

4,5 × 10−1 kg

o:

4,5359237 × 10−1 kg.

Ambas expresiones están en notación científica.

Sin embargo:

4,5 × 10−1 → 2 C.S.

mientras que:

4,5359237 × 10−1 → 8 C.S.

Por tanto:

notación científica ≠ cantidad fija de cifras significativas.

Lo mismo ocurre con la notación de ingeniería.

5.82. Elegir el formato según el propósito

Figura 5.24. Guía para seleccionar la forma de presentación numérica
¿CÓMO CONVIENE PRESENTARLO? ¿EL NÚMERO ES CÓMODO EN FORMA DECIMAL? forma decimal NO usar potencia de diez CIENTÍFICA coeficiente 1 a 10 INGENIERÍA múltiplos de 3
Nota. La selección del formato busca mejorar legibilidad; no sustituye la decisión sobre cuántas cifras están justificadas. Elaboración propia.

5.83. Cuando existe incertidumbre, ella entra en la presentación

AVANZADO · ●●●○

Hasta ahora hemos hablado de formas de escribir números.

Pero un resultado de medición requiere información metrológica adicional.

Supongamos que hemos obtenido:

x=2,523 m

y que la evaluación de incertidumbre proporciona:

u(x)=0,005 m.

Aquí:

u(x)

representa una:

incertidumbre estándar.

Una forma rigurosa de comunicarlo es:

x=2,523 m;   u(x)=0,005 m.

No necesitamos convertir automáticamente la incertidumbre estándar en:

x=(2,523±0,005) m.

porque la notación ± puede sugerir un intervalo si no se explica su significado.

5.84. Incertidumbre expandida y uso explícito de ±

Si una evaluación posterior produce una incertidumbre expandida:

U=k·uc

entonces podemos utilizar una presentación como:

x=(2,523±0,010) m

si se declara, por ejemplo:

U=0,010 m;   k=2.

De esta manera sabemos qué representa el término que acompaña al símbolo:

±.
Regla permanente
± sin definición explícita = comunicación incompleta

El contexto debe indicar si se trata de U, de un intervalo de tolerancia, de un límite u otra cantidad.

Figura 5.25. Dos maneras de comunicar incertidumbre según la cantidad utilizada
INCERTIDUMBRE ESTÁNDAR x=2,523 m u(x)=0,005 m se identifica explícitamente como incertidumbre estándar INCERTIDUMBRE EXPANDIDA x=(2,523±0,010) m U=0,010 m k=2 el significado de ± está declarado u y U son cantidades relacionadas, pero no equivalentes
Nota. Ejemplo didáctico. Una incertidumbre expandida requiere especificar el factor de cobertura utilizado y el contexto de cobertura correspondiente. Elaboración propia.

5.85. ¿Cuántas cifras debe conservar la incertidumbre?

AVANZADO · ●●●○

Una incertidumbre no debe presentarse con una cantidad exagerada de cifras.

Como regla de presentación, es habitual conservar:

una o dos cifras significativas en la incertidumbre.

La política elegida debe aplicarse consistentemente y documentarse cuando sea necesario.

Por ejemplo, si un cálculo produce:

u=0,001675 g

una presentación con dos cifras significativas sería:

u≈0,0017 g.

Si el criterio adoptado utiliza una sola cifra:

u≈0,002 g.

La elección modifica también la posición decimal en la que se presenta el valor principal.

No adoptar una receta sin contexto

No utilizaremos como regla universal «la incertidumbre siempre se redondea hacia arriba». La regla de redondeo y el número de cifras retenidas deben estar definidos por el procedimiento de reporte.

DEMOSTRACIÓN 18 · AVANZADO · ●●●○

5.86. Armonizar valor e incertidumbre

Supongamos:

valor calculado = 32,57893378 g

y:

incertidumbre estándar calculada = 0,001675 g.

Si adoptamos dos cifras significativas para u:

0,001675 g → 0,0017 g.

La incertidumbre termina en diezmilésimas de gramo.

Presentamos el valor hasta la misma posición:

32,57893378 g → 32,5789 g.
x=32,5789 g;   u(x)=0,0017 g

Si, en cambio, el protocolo exige una sola cifra significativa:

0,001675 g → 0,002 g
32,57893378 g → 32,579 g
x=32,579 g;   u(x)=0,002 g

Las dos presentaciones corresponden a políticas diferentes de redondeo, no a resultados físicos diferentes.

5.87. Valor e incertidumbre absoluta deben usar unidades coherentes

Si la incertidumbre es absoluta, se expresa en la misma unidad que la magnitud correspondiente.

Por ejemplo:

L=2,50 m;   u(L)=0,02 m.

Si se utiliza incertidumbre expandida:

L=(2,50±0,04) m

con:

U=0,04 m;   k=2.

La unidad:

m

se aplica tanto al valor como a la incertidumbre.

Tabla 5.15. Coherencia entre valor, incertidumbre y unidad

Situación Presentación Evaluación
Incertidumbre estándar x=2,50 m; u(x)=0,02 m Clara
Incertidumbre expandida x=(2,50±0,04) m; U=0,04 m; k=2 Clara si se documenta el significado de U y k
Discordancia decimal x=(2,5±0,04) m Incoherente en la presentación
Símbolo ± sin definir x=(2,50±0,04) m sin más información Incompleta metrológicamente

5.88. Notación científica con incertidumbre

Para cantidades muy pequeñas podemos factorizar una potencia común.

Supongamos:

x=0,00000452 m

con incertidumbre estándar:

u(x)=0,00000003 m.

Podemos escribir:

x=4,52 × 10−6 m

y:

u(x)=0,03 × 10−6 m.

De forma compacta:

x=(4,52 × 10−6) m;   u(x)=0,03 × 10−6 m.

Si 0,03 × 10−6 m fuese una incertidumbre expandida, entonces podría escribirse:

x=(4,52±0,03) × 10−6 m

declarando además:

U=0,03 × 10−6 m

y el factor de cobertura correspondiente.

Figura 5.26. Factor común de escala para valor e incertidumbre
FORMA DECIMAL x=0,00000452 m u=0,00000003 m ESCALA COMÚN x=4,52 × 10⁻⁶ m u=0,03 × 10⁻⁶ m la escala cambia; la información física no
Nota. Valor e incertidumbre se expresan en una escala común, lo que facilita su lectura. Elaboración propia.

5.89. Notación de ingeniería con incertidumbre

En ingeniería suele resultar conveniente escribir:

R=47,0 kΩ

en lugar de:

R=47.000 Ω.

Si una evaluación produce:

u(R)=0,5 kΩ

podemos comunicar:

R=47,0 kΩ;   u(R)=0,5 kΩ.

Si 0,5 kΩ fuese una incertidumbre expandida y se hubiera adoptado:

k=2

podría comunicarse:

R=(47,0±0,5) kΩ

junto con:

U=0,5 kΩ;   k=2.
DEMOSTRACIÓN 19 · AVANZADO · ●●●○

5.90. De los dígitos de calculadora al resultado comunicado

Supongamos que un cálculo produce:

1.941,74757 cm

y que la evaluación metrológica produce una incertidumbre expandida:

U=60 cm

con:

k=2.

La incertidumbre alcanza el orden de las decenas de centímetros.

No tiene sentido conservar:

1.941,74757 cm

en la presentación final.

Armonizamos el valor:

1.941,74757 cm → 1.940 cm.
x=(1.940±60) cm;   U=60 cm;   k=2

Una forma que evita la ambigüedad de los ceros finales es:

x=(1,94±0,06) × 103 cm

Los dígitos eliminados siguen siendo útiles durante el cálculo interno, pero no aportan información defendible en el resultado final comunicado.

5.91. Procedimiento general para presentar un resultado

AVANZADO · ●●●○

Podemos organizar la presentación final en siete decisiones.

Figura 5.27. Secuencia para comunicar un resultado de medición
1 · CALCULAR SIN REDONDEOS PREMATUROS 2 · EVALUAR LA INCERTIDUMBRE 3 · REDONDEAR LA INCERTIDUMBRE 4 · ARMONIZAR EL VALOR 5 · ELEGIR UNIDAD Y ESCALA 6 · SELECCIONAR FORMATO 7 · COMPROBAR COHERENCIA valor · incertidumbre · unidad · notación · contexto
Nota. La secuencia separa el cálculo numérico de la etapa de comunicación metrológica. Elaboración propia.

Tabla 5.16. Lista de control antes de publicar un resultado

Pregunta Comprobación
¿Se conservaron cifras suficientes durante el cálculo? □ Sí · □ Revisar
¿La incertidumbre fue evaluada y no inferida de los decimales? □ Sí · □ Revisar
¿Está claro si se comunica u o U? □ Sí · □ Revisar
Si se usa U, ¿se informa el factor de cobertura? □ Sí · □ Revisar
¿Valor e incertidumbre terminan en posiciones coherentes? □ Sí · □ Revisar
¿Las unidades son coherentes? □ Sí · □ Revisar
¿El prefijo SI facilita la lectura? □ Sí · □ Revisar
¿La notación elegida evita ambigüedades? □ Sí · □ Revisar
¿Quedan dígitos que la incertidumbre no justifica? □ No · □ Revisar

5.92. Errores frecuentes en la presentación

Error 1 · Confundir decimales con cifras significativas

0,0254 posee cuatro posiciones decimales, pero tres cifras significativas.

Error 2 · Creer que la notación científica fija las C.S.

El coeficiente puede escribirse con diferentes cantidades de cifras.

Error 3 · Añadir ceros al cambiar de unidad

Cambiar de escala no debe inventar información experimental.

Error 4 · Escribir demasiados dígitos de calculadora

Los dígitos intermedios pueden conservarse para calcular, pero no todos pertenecen al resultado comunicado.

Error 5 · Escribir valor e incertidumbre con posiciones incompatibles

2,5 ± 0,02 m presenta una discordancia decimal.

Error 6 · No explicar qué significa ±

El símbolo por sí solo no identifica el tipo de intervalo o incertidumbre.

Error 7 · Confundir u con U

La incertidumbre expandida U se obtiene a partir de una incertidumbre estándar combinada mediante un factor de cobertura.

Error 8 · Usar el formato para sustituir la metrología

Notación científica, de ingeniería o decimal no reemplazan una evaluación de incertidumbre.

5.93. Práctica graduada

FUNDAMENTAL · ●○○○

1. Escribe en notación científica:

  1. 0,00452 A
  2. 47.000 Ω con dos cifras significativas
  3. 0,000000820 F
INTERMEDIO · ●●○○

2. Escribe utilizando un prefijo SI apropiado:

  1. 47.000 Ω
  2. 0,00250 A
  3. 0,000000047 F
  4. 2.200.000 Ω
AVANZADO · ●●●○

3. Presentación metrológica

Un cálculo produce:

V=12,347826 V

y se ha evaluado:

u(V)=0,021 V.
  1. Redondea u a dos cifras significativas.
  2. Armoniza el valor de V.
  3. Escribe el resultado sin utilizar ±.
PROFUNDIZACIÓN · ●●●●

4. Incertidumbre expandida

Se obtiene:

R=47,0387 kΩ

y:

U=0,52 kΩ;   k=2.
  1. Armoniza el valor de R.
  2. Presenta el resultado utilizando ±.
  3. Explica qué información debe acompañar necesariamente la expresión.

5.94. Respuestas orientadoras

Ejercicio 1
0,00452 A = 4,52 × 10−3 A
47.000 Ω = 4,7 × 104 Ω
0,000000820 F = 8,20 × 10−7 F
Ejercicio 2
47.000 Ω = 47 kΩ
0,00250 A = 2,50 mA
0,000000047 F = 47 nF
2.200.000 Ω = 2,2 MΩ
Ejercicio 3

Con dos cifras significativas:

u(V)=0,021 V

La posición final es milésimas.

V=12,348 V.

Presentación:

V=12,348 V;   u(V)=0,021 V.
Ejercicio 4

La incertidumbre termina en centésimas de kiloohmio.

R=47,04 kΩ.

Si U=0,52 kΩ es una incertidumbre expandida:

R=(47,04±0,52) kΩ

y debe indicarse:

U=0,52 kΩ;   k=2

junto con el significado y contexto de cobertura cuando sea relevante.

Comprueba lo aprendido

  1. ¿Qué diferencia existe entre valor de trabajo y resultado final?
  2. ¿Cuatro decimales significa cuatro cifras significativas?
  3. ¿Qué condición cumple el coeficiente de la notación científica?
  4. ¿Qué condición cumple el exponente de la notación de ingeniería?
  5. ¿Por qué la notación de ingeniería se relaciona con los prefijos SI?
  6. ¿Cambiar de kΩ a Ω modifica la información experimental?
  7. ¿La notación científica determina automáticamente cuántas C.S. debe tener un resultado?
  8. ¿Qué diferencia existe entre u y U?
  9. ¿Qué debe declararse cuando se utiliza U?
  10. ¿Por qué ± necesita contexto?
  11. ¿Valor e incertidumbre absoluta deben usar unidades coherentes?
  12. ¿Por qué deben armonizarse sus posiciones decimales?
  13. ¿Por qué no conviene copiar todos los dígitos de una calculadora?
  14. ¿Qué información mínima debe acompañar un resultado metrológico?

5.95. Síntesis de la Parte 5

Presentar un resultado es una etapa de comunicación científica, no una simple decisión estética.

forma decimal
notación científica
notación de ingeniería
prefijos SI

son distintas formas de representar cantidades.

formato ≠ número de cifras significativas
cifras significativas ≠ incertidumbre
dígitos de calculadora ≠ información experimental

Cuando existe incertidumbre evaluada:

primero se presenta coherentemente la incertidumbre

después se armoniza el valor principal

Y mantendremos una distinción esencial:

u = incertidumbre estándar
U = incertidumbre expandida

En la Parte 6 estudiaremos qué sucede cuando el mensurando no se obtiene directamente del instrumento, sino mediante una función de varias magnitudes medidas.

Referencias

Bureau International des Poids et Mesures. (2026). The International System of Units (SI) (9th ed., Version 4.01). Bureau International des Poids et Mesures.

Joint Committee for Guides in Metrology. (2008). Evaluation of measurement data—Guide to the expression of uncertainty in measurement (JCGM 100:2008). Bureau International des Poids et Mesures.

Joint Committee for Guides in Metrology. (2012). International vocabulary of metrology—Basic and general concepts and associated terms (VIM) (3rd ed., JCGM 200:2012). Bureau International des Poids et Mesures.

Taylor, B. N., & Kuyatt, C. E. (1994). Guidelines for evaluating and expressing the uncertainty of NIST measurement results (NIST Technical Note 1297). National Institute of Standards and Technology.

SIGUE · PARTE 6 DE 9

Medidas indirectas y sensibilidad

Hasta ahora hemos trabajado principalmente con valores que ya estaban disponibles para ser calculados o comunicados.

Ahora aparece un problema más profundo.

¿qué ocurre cuando la magnitud buscada se calcula a partir de otras magnitudes medidas?

Por ejemplo:

R=V/I

o:

A=πd²/4.

Si las magnitudes de entrada poseen incertidumbre:

¿cómo influye cada una sobre el resultado?

Estudiaremos:

Y=f(X₁,X₂,…,Xₙ)
magnitudes de entrada y magnitud de salida
coeficientes de sensibilidad
derivadas parciales
aproximación lineal local
condiciones de validez

La Parte 6 comienza en 5.96 · Figura 5.28 · Tabla 5.17 · Demostración 20 .

ANÁLISIS DE CIRCUITOS EN INGENIERÍA
CAPÍTULO 5 · PARTE 6 DE 9

Medidas indirectas y sensibilidad

Del modelo de medición a los coeficientes de sensibilidad

modelo · entradas · salida · derivadas parciales · sensibilidad · linealización

Al finalizar esta parte podrás:
distinguir una indicación obtenida directamente de un resultado calculado mediante un modelo;
formular un modelo de medición como Y=f(X₁,X₂,…,Xₙ);
identificar magnitudes de entrada y magnitud de salida;
interpretar físicamente una derivada parcial;
calcular coeficientes de sensibilidad;
interpretar signo, magnitud y unidades de un coeficiente de sensibilidad;
utilizar una aproximación lineal local para estimar cambios pequeños;
reconocer las condiciones bajo las cuales una linealización de primer orden puede dejar de ser adecuada.

5.96. Cuando la magnitud buscada no aparece directamente en la pantalla

FUNDAMENTAL · ●○○○

Muchas magnitudes de interés no se obtienen leyendo directamente la indicación de un instrumento.

En su lugar, medimos otras magnitudes y utilizamos una relación matemática.

Por ejemplo, podemos medir:

V

y:

I

para calcular:

R=V/I.

También podemos medir el diámetro:

d

de una pieza circular y calcular su área mediante:

A=πd²/4.

La idea general es:

magnitudes medidas → modelo → magnitud calculada
Figura 5.28. Estructura básica de un modelo de medición
ENTRADAS X₁, X₂, …, Xₙ MODELO DE MEDICIÓN Y=f(X₁,…,Xₙ) SALIDA Y EL MODELO CONECTA valores de entrada con el valor atribuido a la magnitud de salida y permite estudiar cómo influyen sus incertidumbres
Nota. El esquema sigue la estructura general de un modelo de medición: magnitudes de entrada, relación funcional y magnitud de salida. Elaboración propia.

5.97. «Directa» e «indirecta»: una distinción pedagógica útil

En cursos introductorios suele distinguirse entre:

Obtención directa

La indicación del sistema de medición proporciona información directamente relacionada con el mensurando.
Resultado calculado

El valor de interés se obtiene mediante un modelo matemático que utiliza una o varias magnitudes de entrada.

Por ejemplo:

diámetro medido con calibrador → obtención directa de una indicación de d

mientras que:

A=πd²/4 → área obtenida mediante un modelo.
Precisión conceptual

Utilizaremos «medida indirecta» como expresión pedagógica, pero el lenguaje metrológico de mayor generalidad será el de modelo de medición.

5.98. El modelo de medición

INTERMEDIO · ●●○○

La forma general será:

Y=f(X₁,X₂,…,Xₙ).

Aquí:

  • Y representa la magnitud de salida;
  • X₁, X₂, …, Xₙ representan magnitudes de entrada;
  • f representa la relación funcional utilizada.

La GUM-6 utiliza precisamente el concepto de modelo de medición para relacionar magnitudes de entrada con magnitudes de salida (Joint Committee for Guides in Metrology [JCGM], 2020).

Tabla 5.17. Elementos de un modelo de medición

Elemento Símbolo Función
Magnitud de salida Y Magnitud cuyo valor se desea obtener.
Magnitudes de entrada X₁, X₂, …, Xₙ Magnitudes cuyos valores intervienen en el modelo.
Modelo f Describe matemáticamente la relación adoptada.
Valores estimados x₁, x₂, …, xₙ Valores utilizados para evaluar el modelo.
Valor de salida y Resultado numérico obtenido al evaluar f.
DEMOSTRACIÓN 20 · FUNDAMENTAL · ●○○○

5.99. Del diámetro al área

Supongamos que medimos el diámetro de una pieza circular:

d=25,00 mm.

Queremos obtener el área mediante:

A=πd²/4.

Sustituimos:

A=π(25,00 mm)²/4.

El cálculo produce:

A≈490,874 mm².

Aquí:

entrada → d
modelo → A=πd²/4
salida → A

Todavía no hemos calculado la incertidumbre de A. Primero necesitamos entender cómo responde el área a cambios pequeños de d.

5.100. Las magnitudes de entrada no tienen por qué ser todas lecturas directas

Una magnitud de entrada puede proceder de:

  • una lectura instrumental;
  • una calibración;
  • una corrección;
  • una constante obtenida experimentalmente;
  • una condición ambiental;
  • otro modelo previo.

Por tanto:

entrada del modelo ≠ necesariamente lectura directa de un instrumento.

Esto será importante cuando construyamos presupuestos de incertidumbre.

5.101. Un modelo no es la realidad

AVANZADO · ●●●○

Consideremos nuevamente:

A=πd²/4.

Este modelo supone que la sección puede representarse adecuadamente como un círculo.

Pero una pieza real puede presentar:

  • ovalidad;
  • rugosidad;
  • deformación;
  • dependencia con la temperatura;
  • variaciones entre diferentes diámetros medidos.

Por eso:

modelo ≠ objeto real

El modelo es una representación con un dominio de validez determinado.

Figura 5.29. De la pieza real al modelo matemático
PIEZA REAL geometría no perfectamente ideal d MODELO GEOMÉTRICO círculo ideal ECUACIÓN A=πd²/4 la validez del resultado depende también de la adecuación del modelo
Nota. El modelo circular puede ser adecuado para ciertos propósitos, pero siempre constituye una idealización de la pieza física. Elaboración propia.

5.102. Coeficiente de sensibilidad

INTERMEDIO · ●●○○

Si:

Y=f(X₁,X₂,…,Xₙ),

queremos saber cuánto cambia aproximadamente Y cuando cambia una de sus entradas.

Para ello utilizamos:

ci=∂f/∂Xi

evaluado en los valores de entrada utilizados.

El término:

ci

se denomina:

coeficiente de sensibilidad.

Su interpretación es:

cambio local de la salida / cambio de la entrada.

Tabla 5.18. Qué información contiene un coeficiente de sensibilidad

Propiedad Interpretación
Magnitud Indica cuánto responde localmente la salida ante un cambio unitario de la entrada.
Signo positivo Al aumentar la entrada, la salida tiende a aumentar localmente.
Signo negativo Al aumentar la entrada, la salida tiende a disminuir localmente.
Valor cercano a cero La salida es poco sensible localmente a esa entrada.
Unidades Unidades de Y divididas por las unidades de Xᵢ.
DEMOSTRACIÓN 21 · AVANZADO · ●●●○

5.103. Sensibilidad de una corriente calculada mediante la ley de Ohm

Utilizamos:

I=V/R.

Supongamos:

V=12,00 V
R=2,000 kΩ.

La corriente es:

I=6,000 mA.

Sensibilidad respecto de V:

∂I/∂V=1/R
cV=0,500 mA/V.

Sensibilidad respecto de R:

∂I/∂R=−V/R²
cR=−3,000 mA/kΩ.

Si V cambia localmente:

δV=+0,010 V

estimamos:

δI≈cVδV
δI≈+0,005 mA.

Si R cambia:

δR=+0,010 kΩ
δI≈cRδR
δI≈−0,030 mA.

Todavía no estamos combinando incertidumbres. Estamos estudiando por separado cómo responde I a cada entrada.

5.104. El signo de la sensibilidad contiene información física

En:

I=V/R

tenemos:

∂I/∂V>0

porque, manteniendo R constante, un aumento de V produce un aumento de I.

En cambio:

∂I/∂R<0

porque, manteniendo V constante, un aumento de R produce una disminución de I.

Por tanto:

signo de ci → dirección local de la respuesta
Figura 5.30. Sensibilidad positiva y negativa
c>0 entrada aumenta → salida aumenta c<0 entrada aumenta → salida disminuye la sensibilidad depende del punto y del modelo
Nota. Diagramas conceptuales. La pendiente local representa el signo y la magnitud del coeficiente de sensibilidad. Elaboración propia.

5.105. Aproximación lineal local

AVANZADO · ●●●○

Si las entradas cambian poco alrededor del punto de evaluación, podemos aproximar el cambio de la salida mediante:

δY≈c₁δX₁+c₂δX₂+…+cₙδXₙ.

Es decir:

δY≈Σ ciδXi.

Esta expresión procede del diferencial total de primer orden.

No confundir

Esta ecuación describe una variación linealizada. Todavía no es una regla para combinar incertidumbres estándar. Esa etapa llegará en la Parte 7.

Figura 5.31. La linealización aproxima una curva mediante su tangente local
región local de aproximación modelo no lineal tangente local
Nota. Representación conceptual sin escala física. La aproximación lineal es local: su calidad depende de la curvatura y del tamaño de las variaciones consideradas. Elaboración propia.
DEMOSTRACIÓN 22 · AVANZADO · ●●●○

5.106. ¿Qué tan buena es una linealización?

Volvamos a:

A=πd²/4

con:

d=25,00 mm.

La sensibilidad es:

dA/dd=πd/2.

En d=25,00 mm:

cd≈39,270 mm.

Supongamos un pequeño cambio:

δd=+0,02 mm.

La aproximación lineal predice:

δA≈cdδd
δA≈0,7854 mm².

Si calculamos exactamente:

A(25,02)−A(25,00)
≈0,7857 mm².

Diferencia entre ambos:

≈0,0003 mm².

Para este pequeño cambio, la aproximación lineal es muy cercana al cambio exacto.

5.107. Condiciones para utilizar una linealización de primer orden

La aproximación mediante derivadas parciales es especialmente útil cuando:

  • el modelo es suficientemente regular alrededor del punto considerado;
  • las variaciones de entrada son pequeñas dentro de esa región;
  • el modelo representa adecuadamente el fenómeno;
  • las derivadas utilizadas existen y son evaluables;
  • los términos de orden superior pueden considerarse pequeños para el propósito del análisis.

Tabla 5.19. Condiciones de validez de una aproximación lineal

Condición Qué debe comprobarse Riesgo si falla
Regularidad local La función es continua y diferenciable alrededor del punto utilizado. La derivada puede no representar adecuadamente la respuesta.
Variaciones pequeñas La región de interés permanece cerca del punto de linealización. Los términos no lineales adquieren importancia.
Modelo adecuado Las variables relevantes están representadas con suficiente fidelidad. Una propagación matemáticamente correcta puede describir un modelo físicamente insuficiente.
Punto de evaluación Los coeficientes se evalúan en los valores realmente utilizados. La sensibilidad puede cambiar con el punto de operación.

5.108. ¿Cuándo puede fallar una aproximación de primer orden?

PROFUNDIZACIÓN · ●●●●

Una aproximación lineal puede ser insuficiente cuando:

la función posee fuerte curvatura en la región relevante;
las incertidumbres de entrada abarcan una región amplia;
existe una discontinuidad o un cambio abrupto;
el punto de operación se encuentra cerca de una singularidad;
los términos de segundo orden dejan de ser despreciables;
la distribución de salida se vuelve fuertemente asimétrica.

En esos casos pueden requerirse:

  • términos de orden superior;
  • evaluación numérica directa;
  • propagación de distribuciones;
  • métodos de Monte Carlo.
Principio
una derivada calculable no garantiza por sí sola que la aproximación lineal sea suficiente

5.109. Ejemplo motivador: el péndulo simple

INTERMEDIO · ●●○○

Para oscilaciones suficientemente pequeñas dentro del modelo ideal de péndulo simple:

T=2π√(L/g).

Despejando:

g=4π²L/T².

Por tanto:

g=f(L,T).

Las entradas son:

L y T

y la salida es:

g.
Figura 5.32. Modelo del péndulo simple utilizado para obtener g
L periodo T MODELO g=4π²L/T² entradas: L, T salida: g el modelo ideal posee condiciones físicas de validez
Nota. Esquema conceptual del péndulo simple. La ecuación utilizada supone el modelo físico correspondiente y no representa todas las posibles desviaciones de un péndulo real. Elaboración propia.
DEMOSTRACIÓN 23 · AVANZADO · ●●●○

5.110. Sensibilidad de g respecto de L y T

Utilizamos:

g=4π²L/T².

Supongamos:

L=1,000 m
T=2,006 s.

Entonces:

g≈9,81065 m/s².

Sensibilidad respecto de L:

cL=∂g/∂L=4π²/T²
cL≈9,81065 s⁻².

Sensibilidad respecto de T:

cT=∂g/∂T=−8π²L/T³
cT≈−9,78131 m/s³.

Un pequeño cambio:

δL=+0,001 m

produce aproximadamente:

δg≈+0,00981 m/s².

Mientras que:

δT=+0,001 s

produce:

δg≈−0,00978 m/s².

El signo negativo confirma que un periodo mayor produce un valor calculado menor de g dentro de este modelo.

5.111. Sensibilidad relativa o normalizada

PROFUNDIZACIÓN · ●●●●

Comparar directamente coeficientes de sensibilidad puede resultar engañoso cuando poseen unidades diferentes.

Una forma útil de estudiar la influencia relativa es:

Ci=(ciXi)/Y.

Para:

g=4π²L/T²

obtenemos:

CL=1

y:

CT=−2.

Interpretación local:

un cambio relativo pequeño de L se transmite aproximadamente con factor +1;
un cambio relativo pequeño de T se transmite aproximadamente con factor −2.

Esto anticipa una propiedad que reaparecerá al estudiar potencias.

5.112. De la sensibilidad a las contribuciones de incertidumbre

AVANZADO · ●●●○

Si una entrada Xi posee incertidumbre estándar:

u(Xi),

la linealización permite asociarle una contribución de magnitud:

|ci|u(Xi).

Esto todavía no indica cómo deben combinarse varias contribuciones.

Solo responde:

¿cuánto aporta aproximadamente cada entrada por separado?

Tabla 5.20. Vista previa de contribuciones para el ejemplo del péndulo

Entrada u(Xᵢ) |cᵢ| |cᵢ|u(Xᵢ)
L 0,001 m 9,81065 s⁻² 0,00981 m/s²
T 0,002 s 9,78131 m/s³ 0,01956 m/s²

En este escenario didáctico, la contribución asociada a T es aproximadamente el doble de la asociada a L.

Pero aún falta responder:

¿se suman?, ¿se combinan en cuadratura?, ¿existe correlación?

Ése será el problema de la Parte 7.

Figura 5.33. Magnitud de las contribuciones individuales en el ejemplo del péndulo
0 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 contribución individual |cᵢ|u(Xᵢ) · m/s² L T 0,00981 0,01956 CONTRIBUCIONES INDIVIDUALES todavía no combinadas
Nota. Datos didácticos hipotéticos: L=1,000 m, T=2,006 s, u(L)=0,001 m y u(T)=0,002 s. La figura muestra contribuciones individuales linealizadas, no la incertidumbre estándar combinada. Elaboración propia.

5.113. Sensibilidad e incertidumbre no son sinónimos

Una variable puede poseer:

sensibilidad grande + incertidumbre pequeña

o:

sensibilidad pequeña + incertidumbre grande.

Por eso la importancia de una entrada no depende únicamente de:

|ci|

sino de la combinación:

|ci|u(Xi).
Idea central
contribución ≈ sensibilidad × incertidumbre de entrada

Después será necesario decidir cómo combinar correctamente las distintas contribuciones.

5.114. Errores frecuentes

Error 1 · Pensar que el modelo es la realidad

Todo modelo contiene supuestos, aproximaciones y un dominio de validez.

Error 2 · Creer que toda entrada es una lectura instrumental

Una entrada puede proceder también de calibraciones, correcciones u otros modelos.

Error 3 · Confundir derivada con incertidumbre

La derivada describe sensibilidad; la incertidumbre caracteriza dispersión de valores atribuibles.

Error 4 · Ignorar las unidades de cᵢ

Un coeficiente de sensibilidad posee unidades de salida divididas por unidades de entrada.

Error 5 · Comparar derivadas de unidades distintas directamente

Conviene considerar la variación real o la incertidumbre de cada entrada, o utilizar sensibilidades normalizadas.

Error 6 · Aplicar linealización a cualquier tamaño de variación

La aproximación de primer orden es local.

Error 7 · Utilizar σ como símbolo universal de incertidumbre estándar

En este capítulo utilizaremos u(X) para incertidumbre estándar. σ se reservará para una desviación estándar cuando el contexto estadístico lo requiera.

Error 8 · Combinar contribuciones antes de decidir el modelo de propagación

Primero identificamos modelo, sensibilidades y contribuciones; después seleccionamos la regla de combinación.

5.115. Práctica graduada

FUNDAMENTAL · ●○○○

1. Identifica entradas, modelo y salida:

  1. R=V/I
  2. A=πd²/4
  3. P=VI
  4. ρ=m/V
INTERMEDIO · ●●○○

2. Para:

P=VI

calcula:

∂P/∂V

y:

∂P/∂I.

Interpreta físicamente ambos resultados.

AVANZADO · ●●●○

3. Para:

R=V/I

utiliza:

V=10,00 V
I=2,00 mA.
  1. Calcula R.
  2. Calcula ∂R/∂V.
  3. Calcula ∂R/∂I.
  4. Explica el signo de cada derivada.
PROFUNDIZACIÓN · ●●●●

4. Para:

Y=X²

compara el cambio exacto y la aproximación lineal para:

X=10

en dos casos:

δX=0,01

y:

δX=2.

Explica en cuál de los dos casos la aproximación lineal es mejor.

5.116. Respuestas orientadoras

Ejercicio 1

Para R=V/I:

entradas: V, I · salida: R

Para A=πd²/4:

entrada: d · salida: A

Para P=VI:

entradas: V, I · salida: P

Para ρ=m/V:

entradas: m, V · salida: ρ
Ejercicio 2
∂P/∂V=I
∂P/∂I=V

La sensibilidad de P respecto de V depende del valor de I, mientras que la sensibilidad respecto de I depende del valor de V.

Ejercicio 3
R=10,00 V / 2,00 mA = 5,00 kΩ.
∂R/∂V=1/I=0,500 kΩ/V.
∂R/∂I=−V/I²=−2,50 kΩ/mA.

El signo positivo respecto de V indica que R aumenta con V si I permanece constante.

El signo negativo respecto de I indica que R disminuye cuando I aumenta manteniendo V constante.

Ejercicio 4

Para Y=X²:

dY/dX=2X.

En X=10:

c=20.

Si δX=0,01:

δY lineal≈20×0,01=0,20.

Cambio exacto:

10,01²−10²=0,2001.

La diferencia es muy pequeña.

Si δX=2:

δY lineal≈20×2=40.

Cambio exacto:

12²−10²=44.

La desviación es mucho mayor. La linealización funciona mejor cuando la variación permanece localmente pequeña.

5.117. Comprueba lo aprendido y síntesis

  1. ¿Qué es un modelo de medición?
  2. ¿Qué representa Y?
  3. ¿Qué representan X₁, X₂, …, Xₙ?
  4. ¿Una entrada debe ser siempre una lectura instrumental?
  5. ¿Por qué un modelo no debe confundirse con la realidad?
  6. ¿Qué es un coeficiente de sensibilidad?
  7. ¿Qué significa un coeficiente positivo?
  8. ¿Qué significa uno negativo?
  9. ¿Qué unidades posee ∂Y/∂X?
  10. ¿Qué es una linealización local?
  11. ¿Por qué exige variaciones suficientemente pequeñas?
  12. ¿Qué diferencia existe entre sensibilidad e incertidumbre?
  13. ¿Qué representa |cᵢ|u(Xᵢ)?
  14. ¿Por qué todavía no debemos sumar esas contribuciones?
  15. ¿Qué ventaja posee una sensibilidad relativa normalizada?

Síntesis de la Parte 6

Una magnitud calculada se obtiene mediante un modelo:

Y=f(X₁,X₂,…,Xₙ)

Cada entrada influye sobre la salida mediante un coeficiente de sensibilidad:

cᵢ=∂f/∂Xᵢ

Para pequeñas variaciones:

δY≈Σ cᵢδXᵢ

Pero establecimos cuidadosamente:

modelo ≠ realidad
sensibilidad ≠ incertidumbre
variación linealizada ≠ incertidumbre combinada

El siguiente paso consiste en responder:

si cada entrada aporta una contribución, ¿cómo deben combinarse todas?

Ése será el núcleo de la Parte 7.

Referencias

Joint Committee for Guides in Metrology. (2012). International vocabulary of metrology—Basic and general concepts and associated terms (VIM) (3rd ed., JCGM 200:2012). Bureau International des Poids et Mesures.

Joint Committee for Guides in Metrology. (2020). Guide to the expression of uncertainty in measurement—Part 6: Developing and using measurement models (JCGM GUM-6:2020). Bureau International des Poids et Mesures.

Joint Committee for Guides in Metrology. (2023). Guide to the expression of uncertainty in measurement—Part 1: Introduction (JCGM GUM-1:2023). Bureau International des Poids et Mesures.

SIGUE · PARTE 7 DE 9

Cómo se combinan las incertidumbres

Ya podemos calcular:

cᵢ

y reconocer contribuciones individuales:

|cᵢ|u(Xᵢ).

Ahora debemos decidir cómo pasar de varias contribuciones a una incertidumbre de salida.

Estudiaremos:

cota de peor caso
incertidumbre estándar combinada
suma en cuadratura
covarianzas y correlaciones
variables no correlacionadas
diferencia entre una cota y una incertidumbre estándar

La Parte 7 comienza en 5.118 · Figura 5.34 · Tabla 5.21 · Demostración 24 .

ANÁLISIS DE CIRCUITOS EN INGENIERÍA
CAPÍTULO 5 · PARTE 7 DE 9

Cómo se combinan las incertidumbres

Cota de peor caso, incertidumbre estándar combinada, covarianza y correlación

contribuciones · combinación · cuadratura · covarianza · correlación · presupuesto

Al finalizar esta parte podrás:
distinguir una cota de peor caso de una incertidumbre estándar;
calcular una cota linealizada cuando se conocen límites de variación de las entradas;
calcular una incertidumbre estándar combinada para entradas no correlacionadas;
interpretar el papel de la covarianza;
utilizar coeficientes de correlación en un modelo de incertidumbre;
explicar por qué independencia y ausencia de correlación no son exactamente el mismo concepto;
construir un presupuesto básico de incertidumbre;
seleccionar una regla de combinación compatible con la información disponible y sus supuestos.

5.118. Tener las contribuciones no resuelve todavía el problema

FUNDAMENTAL · ●○○○

En la Parte 6 obtuvimos contribuciones del tipo:

|ci|u(xi).

Pero si existen varias entradas, todavía debemos responder:

¿cómo se combinan?

Supongamos que dos contribuciones numéricas son:

3 unidades

y:

4 unidades.

Podríamos obtener:

3+4=7

o:

√(3²+4²)=5.

Los dos resultados son matemáticamente correctos.

La pregunta importante es:

¿qué modelo de combinación representa el problema?
Figura 5.34. Las mismas contribuciones pueden producir resultados diferentes según el modelo de combinación
CONTRIBUCIONES 3 Y 4 COTA DE PEOR CASO 3+4 7 CUADRATURA √(3²+4²) 5 resultados diferentes porque representan supuestos diferentes
Nota. El ejemplo es puramente numérico. No implica que las magnitudes 3 y 4 posean simultáneamente el significado de límites y de incertidumbres estándar. Elaboración propia.

5.119. Dos preguntas diferentes requieren dos respuestas diferentes

Pregunta A

Si cada entrada puede variar dentro de un límite establecido, ¿qué magnitud puede alcanzar aproximadamente la variación máxima linealizada de la salida?

cota de peor caso
Pregunta B

Si cada entrada está caracterizada mediante una incertidumbre estándar, ¿cuál es la incertidumbre estándar combinada de la salida?

uc(y)

Tabla 5.21. Cota de peor caso e incertidumbre estándar combinada no son la misma cantidad

Aspecto Cota de peor caso Incertidumbre estándar combinada
Información de entrada Límites o semianchos de variación Incertidumbres estándar y covarianzas
Interpretación Cota linealizada bajo combinación desfavorable Incertidumbre estándar asociada al valor de salida
Combinación básica Suma de magnitudes de contribución Varianzas y covarianzas
Signo Se utilizan magnitudes absolutas El signo interviene en los términos de covarianza
¿Son intercambiables? No No

5.120. Cota linealizada de peor caso

INTERMEDIO · ●●○○

Para evitar confundir una cota con una incertidumbre estándar, utilizaremos:

bi

para representar el límite o semiancho adoptado para la variación de una entrada.

Si:

Y=f(X₁,X₂,…,Xₙ)

y:

ci=∂f/∂Xi,

una cota linealizada puede escribirse:

By≈Σ |ci|bi.

Para dos entradas:

By≈|c₁|b₁+|c₂|b₂.

La expresión supone que las contribuciones pueden actuar simultáneamente en el sentido que produce la mayor magnitud del cambio linealizado.

DEMOSTRACIÓN 24 · INTERMEDIO · ●●○○

5.121. Dos contribuciones de cota: 3 y 4

Supongamos que, después de multiplicar sensibilidad por límite de variación, obtenemos:

|c₁|b₁=3
|c₂|b₂=4.

La cota linealizada es:

By≈3+4.
By≈7.

No utilizamos:

3−4

porque una cancelación algebraica no representa el supuesto de peor caso.

El resultado 7 es una cota construida bajo ese modelo, no una incertidumbre estándar.

5.122. ¿Por qué se utilizan valores absolutos en una cota?

Supongamos dos contribuciones linealizadas:

+0,4

y:

−0,3.

La suma algebraica sería:

+0,1.

Pero si estamos buscando una cota bajo el supuesto de combinaciones desfavorables, no debemos permitir que el signo de una sensibilidad reduzca artificialmente otra contribución.

|+0,4|+|−0,3|=0,7.
Figura 5.35. Una cancelación algebraica no representa una cota de peor caso
SUMA ALGEBRAICA +0,4−0,3 0,1 existe cancelación COTA DE MAGNITUD |0,4|+|−0,3| 0,7 no se permite cancelación la regla depende de la pregunta que estamos respondiendo
Nota. Ejemplo conceptual. La segunda operación representa una suma de magnitudes para construir una cota linealizada. Elaboración propia.

5.123. Incertidumbre estándar combinada

AVANZADO · ●●●○

Cuando cada entrada se caracteriza mediante una incertidumbre estándar:

u(xi),

la cantidad buscada es:

uc(y).

La formulación general de primer orden incluye varianzas y covarianzas:

uc²(y) = Σ ci²u²(xi) + 2Σi<jcicju(xi,xj).

Aquí:

u(xi,xj)

representa la covarianza entre dos magnitudes de entrada.

Esta forma muestra inmediatamente que la conocida suma en cuadratura es un caso particular.

5.124. Caso particular: covarianzas nulas

Si:

u(xi,xj)=0

para todas las parejas distintas, desaparecen los términos cruzados.

Entonces:

uc(y) = √[Σ(ciu(xi))²].

Para dos entradas:

uc(y) = √[(c₁u(x₁))²+(c₂u(x₂))²].
Regla importante
suma en cuadratura = caso de covarianzas nulas

No debe convertirse en una receta automática sin examinar antes las dependencias entre las entradas.

DEMOSTRACIÓN 25 · AVANZADO · ●●●○

5.125. Potencia eléctrica con entradas no correlacionadas

Modelo:

P=VI.

Valores:

V=12,00 V
I=5,000 mA.

Entonces:

P=60,00 mW.

Supongamos:

u(V)=0,020 V
u(I)=0,010 mA

y covarianza nula.

Sensibilidades:

cV=∂P/∂V=I=5,000 mA
cI=∂P/∂I=V=12,00 V.

Contribución de V:

cVu(V)=0,100 mW.

Contribución de I:

cIu(I)=0,120 mW.

Combinamos en cuadratura:

uc(P)=√[(0,100)²+(0,120)²] mW
uc(P)≈0,156 mW.

Una presentación razonable sería:

P=60,00 mW;   uc(P)=0,16 mW.

No se ha calculado aquí una incertidumbre expandida.

Figura 5.36. Contribuciones estándar al ejemplo de potencia eléctrica
0 0,03 0,06 0,09 0,12 0,15 contribución estándar · mW V I 0,100 0,120 PRESUPUESTO PARCIAL DE P=VI entradas consideradas no correlacionadas
Nota. Escenario didáctico hipotético. Las barras representan |cᵢ|u(xᵢ), no porcentajes de error. Elaboración propia.

5.126. Covarianza: cuando dos entradas no varían de manera independiente

AVANZADO · ●●●○

Dos magnitudes de entrada pueden compartir una fuente común de variación.

Por ejemplo:

  • pueden depender del mismo patrón de calibración;
  • pueden utilizar la misma corrección;
  • pueden compartir una condición ambiental;
  • una puede haberse calculado parcialmente a partir de la otra;
  • pueden proceder del mismo conjunto de observaciones.

En esos casos:

u(xi,xj)≠0

puede ser necesario.

Ignorar esa dependencia puede sobreestimar o subestimar la incertidumbre estándar combinada.

5.127. Coeficiente de correlación

La covarianza puede expresarse mediante:

rij = u(xi,xj) / [u(xi)u(xj)].

Por definición:

−1≤rij≤1.

Entonces:

u(xi,xj) = riju(xi)u(xj).

La fórmula general puede escribirse:

uc²(y) = Σ ci²u²(xi) + 2Σi<j cicj rij u(xi)u(xj).

Tabla 5.22. Interpretación básica del coeficiente de correlación

Valor de r Interpretación lineal Efecto posible sobre u₍c₎
+1 Correlación lineal positiva perfecta Depende también de los signos de cᵢ y cⱼ
Entre 0 y +1 Correlación lineal positiva Puede aumentar o disminuir u₍c₎ según los signos de las sensibilidades
0 Covarianza nula Desaparece el término cruzado correspondiente
Entre −1 y 0 Correlación lineal negativa Puede aumentar o disminuir u₍c₎ según los signos de las sensibilidades
−1 Correlación lineal negativa perfecta Depende también de cᵢcⱼ
Importante

No es correcto afirmar simplemente «correlación positiva siempre aumenta la incertidumbre». El término cruzado contiene también el producto de los coeficientes de sensibilidad cᵢcⱼ.

DEMOSTRACIÓN 26 · PROFUNDIZACIÓN · ●●●●

5.128. La correlación puede cambiar mucho el resultado

Retomemos las contribuciones del ejemplo de potencia:

a=0,100 mW
b=0,120 mW.

Como ambas sensibilidades son positivas, podemos escribir:

uc²=a²+b²+2rab.

Si:

r=0
uc≈0,156 mW.

Si:

r=+0,8
uc=√(0,100²+0,120²+2·0,8·0,100·0,120)
uc≈0,209 mW.

Si:

r=−0,8
uc=√(0,100²+0,120²−2·0,8·0,100·0,120)
uc≈0,072 mW.

La correlación no debe elegirse para obtener un resultado conveniente. Debe estar respaldada por el origen físico, estadístico o metrológico de las entradas.

Figura 5.37. Efecto de la correlación sobre la incertidumbre estándar combinada del ejemplo
−1 −0,5 0 0,5 1 coeficiente de correlación r 0 0,048 0,096 0,144 0,192 0,240 u₍c₎(P) · mW a=0,100 mW · b=0,120 mW
Nota. Escenario didáctico. La curva corresponde a u₍c₎=√(a²+b²+2rab) con a=0,100 mW y b=0,120 mW. Elaboración propia.

5.129. Independencia y ausencia de correlación

PROFUNDIZACIÓN · ●●●●

En lenguaje cotidiano es frecuente tratar:

independencia

y:

covarianza nula

como si fueran exactamente lo mismo.

No lo son.

La independencia estadística es una condición más fuerte.

Para utilizar la forma simple:

uc(y)=√[Σ(ciu(xi))²]

lo que necesitamos, en el nivel de esta formulación, es que los términos de covarianza relevantes sean nulos o despreciables.

Lenguaje que utilizaremos

Preferiremos decir entradas no correlacionadas cuando la condición relevante sea que sus covarianzas sean nulas.

5.130. Caso de una sola magnitud de entrada

Si:

Y=f(X),

solo existe un coeficiente de sensibilidad:

c=dY/dX.

Entonces:

uc(y)≈|c|u(x).

No existe suma de varias contribuciones ni términos de covarianza.

DEMOSTRACIÓN 27 · INTERMEDIO · ●●○○

Una sola entrada: área obtenida a partir del diámetro

Modelo:

A=πd²/4.

Con:

d=25,00 mm

y:

u(d)=0,02 mm.

Sensibilidad:

cd=πd/2.

En d=25,00 mm:

cd≈39,270 mm.

Por tanto:

uc(A)≈|cd|u(d)
uc(A)≈39,270 mm × 0,02 mm
uc(A)≈0,785 mm².

Como existe una sola entrada considerada, no aparece ningún término de correlación.

5.131. Aplicación al péndulo simple

AVANZADO · ●●●○

Retomemos:

g=4π²L/T².

Las sensibilidades son:

cL=4π²/T²

y:

cT=−8π²L/T³.

Si L y T se consideran no correlacionados:

uc(g) = √[(cLu(L))²+(cTu(T))²].

En forma relativa:

uc(g)/g = √[(u(L)/L)²+(2u(T)/T)²].

El factor:

2

aparece porque T posee exponente:

−2.
DEMOSTRACIÓN 28 · AVANZADO · ●●●○

5.132. Incertidumbre estándar combinada de g

Utilizamos el escenario de la Parte 6:

L=1,000 m
T=2,006 s
g≈9,81065 m/s².

Supongamos:

u(L)=0,001 m
u(T)=0,002 s

y covarianza nula.

Las contribuciones obtenidas son:

|cL|u(L)≈0,00981 m/s²
|cT|u(T)≈0,01956 m/s².

Combinamos:

uc(g) = √[(0,00981)²+(0,01956)²] m/s²
uc(g)≈0,02188 m/s².

Incertidumbre relativa estándar:

uc(g)/g≈0,00223
≈0,223 %.

Presentando uc con dos cifras significativas:

g=9,811 m/s²;   uc(g)=0,022 m/s².

No se ha aplicado todavía ningún factor de cobertura.

Figura 5.38. Contribuciones estándar al resultado g en el ejemplo del péndulo
0 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 |cᵢ|u(xᵢ) · m/s² L T 0,00981 0,01956 EL PERIODO DOMINA ESTE PRESUPUESTO PARTICULAR
Nota. Datos didácticos hipotéticos. Que T domine en este ejemplo no significa que deba hacerlo en cualquier experimento de péndulo. Elaboración propia.

5.133. ¿Y si quisiéramos una cota para el mismo modelo?

La estructura algebraica sería:

Bg ≈ |cL|bL + |cT|bT.

Pero:

bL, bT

deben representar límites o semianchos compatibles con el modelo de peor caso.

No debemos tomar automáticamente:

bL=u(L)

y:

bT=u(T)

solo porque poseen las mismas unidades.

Error conceptual
valor numérico igual ≠ significado metrológico igual

Un semiancho de intervalo, una tolerancia, una cota y una incertidumbre estándar son cantidades diferentes aunque ocasionalmente compartan el mismo valor numérico.

5.134. Presupuesto de incertidumbre

Una manera eficaz de organizar el análisis es construir un:

presupuesto de incertidumbre.

En una forma básica puede incluir:

  • magnitud de entrada;
  • valor estimado;
  • incertidumbre estándar;
  • coeficiente de sensibilidad;
  • contribución estándar;
  • información sobre correlaciones.

Tabla 5.23. Presupuesto básico para P=VI

Entrada Valor u(xᵢ) cᵢ |cᵢ|u(xᵢ)
V 12,00 V 0,020 V 5,000 mA 0,100 mW
I 5,000 mA 0,010 mA 12,00 V 0,120 mW

Si las entradas son no correlacionadas:

uc(P)≈0,156 mW.

5.135. ¿Cuál contribución domina?

En el ejemplo anterior:

(0,100 mW)²=0,0100 mW²

y:

(0,120 mW)²=0,0144 mW².

La suma es:

0,0244 mW².

Por tanto, las contribuciones aproximadas a la varianza combinada son:

V → 41 %

y:

I → 59 %.
Aplicación práctica

Un presupuesto permite identificar qué entrada domina la incertidumbre y dónde puede ser más útil mejorar el proceso de medición.

Tabla 5.24. Contribución relativa a la varianza en el ejemplo P=VI

Entrada Contribución estándar Cuadrado Participación aproximada
V 0,100 mW 0,0100 mW² 41 %
I 0,120 mW 0,0144 mW² 59 %

5.136. Procedimiento general de combinación

Figura 5.39. Ruta para seleccionar y aplicar un modelo de combinación
1 · DEFINIR Y=f(X₁,…,Xₙ) 2 · IDENTIFICAR LAS ENTRADAS 3 · CARACTERIZAR u(xᵢ) O LÍMITES bᵢ 4 · CALCULAR cᵢ 5 · EXAMINAR DEPENDENCIAS 6 · SELECCIONAR LA REGLA DE COMBINACIÓN 7 · CALCULAR LA CANTIDAD DE SALIDA 8 · REDONDEAR Y COMUNICAR indicando claramente qué cantidad se reporta
Nota. La elección de la combinación aparece después de caracterizar las entradas y estudiar sus dependencias. Elaboración propia.

5.137. Errores frecuentes

Error 1 · Sumar siempre las incertidumbres

La suma directa corresponde a un modelo de cota, no a toda combinación de incertidumbres estándar.

Error 2 · Usar siempre raíz de suma de cuadrados

La forma simple exige covarianzas nulas o despreciables.

Error 3 · Confundir límite con incertidumbre estándar

Poseer las mismas unidades no convierte ambas cantidades en equivalentes.

Error 4 · Ignorar correlaciones

Una fuente común puede introducir covarianza entre entradas.

Error 5 · Inventar r

El coeficiente de correlación debe estar justificado por información estadística o por el modelo.

Error 6 · Decir que r positivo siempre aumenta u₍c₎

El término cruzado depende también del producto cᵢcⱼ.

Error 7 · Llamar σ a toda incertidumbre estándar

Utilizamos u para incertidumbre estándar; σ conserva su significado estadístico cuando corresponda.

Error 8 · Aplicar k=2 automáticamente

u₍c₎ es una incertidumbre estándar. Una incertidumbre expandida requiere una decisión de cobertura justificada.

5.138. Práctica, respuestas y comprobación

FUNDAMENTAL · ●○○○

1. Dos contribuciones de cota son 2 y 5 unidades.

  1. Calcula la cota de peor caso.
  2. Calcula √(2²+5²).
  3. Explica por qué los dos resultados no representan necesariamente la misma cantidad.
INTERMEDIO · ●●○○

2. Entradas no correlacionadas

Para:

Y=X₁+X₂

se tiene:

u(x₁)=0,30
u(x₂)=0,40.

Calcula uc(y).

AVANZADO · ●●●○

3. Introduce correlación

Para el ejercicio anterior, utiliza:

r₁₂=0,5.

Calcula de nuevo:

uc(y).
PROFUNDIZACIÓN · ●●●●

4. Sensibilidades de signo contrario

Supongamos:

c₁=+2
c₂=−3
u(x₁)=u(x₂)=1

Calcula uc(y) para:

  1. r=0;
  2. r=+0,5;
  3. r=−0,5.

Explica por qué, en este caso, una correlación positiva puede reducir la incertidumbre combinada.

Respuestas orientadoras

Ejercicio 1
B=2+5=7.
√(2²+5²)=√29≈5,39.

7 corresponde a una suma de magnitudes bajo un supuesto de peor caso. 5,39 corresponde a una combinación en cuadratura. No deben interpretarse como cantidades equivalentes sin definir qué representan las entradas.

Ejercicio 2

Como:

c₁=c₂=1

y las entradas son no correlacionadas:

uc(y)=√(0,30²+0,40²)=0,50.
Ejercicio 3
uc² = 0,30²+0,40² + 2·0,5·0,30·0,40.
uc²=0,37.
uc≈0,608.
Ejercicio 4

Para r=0:

uc=√(2²+3²)=√13≈3,61.

Para r=+0,5:

uc²=4+9+2·0,5·(+2)(−3)=7
uc≈2,65.

Para r=−0,5:

uc²=4+9+2·(−0,5)(+2)(−3)=19
uc≈4,36.

Como c₁c₂ es negativo, el signo del término de correlación produce el efecto contrario al caso en que ambas sensibilidades poseen el mismo signo.

Comprueba lo aprendido

  1. ¿Qué diferencia existe entre una cota y una incertidumbre estándar?
  2. ¿Qué representa bᵢ?
  3. ¿Por qué aparecen valores absolutos en Bᵧ?
  4. ¿Qué representa u₍c₎(y)?
  5. ¿Cuál es la fórmula general con covarianzas?
  6. ¿Cuándo puede utilizarse la suma en cuadratura simple?
  7. ¿Qué representa u(xᵢ,xⱼ)?
  8. ¿Entre qué valores se encuentra rᵢⱼ?
  9. ¿Correlación positiva siempre aumenta u₍c₎?
  10. ¿Independencia y covarianza nula son conceptos idénticos?
  11. ¿Qué información contiene un presupuesto de incertidumbre?
  12. ¿Por qué es útil determinar qué contribución domina?
  13. ¿Puede utilizarse automáticamente u(x) como semiancho de peor caso?
  14. ¿u₍c₎ es una incertidumbre expandida?
  15. ¿Qué información adicional necesitaríamos para obtener U?

5.139. Síntesis de la Parte 7

Combinar contribuciones exige primero definir qué cantidad queremos obtener.

cota linealizada de peor caso → Bᵧ≈Σ|cᵢ|bᵢ

En cambio, para incertidumbres estándar:

u₍c₎²(y) = Σcᵢ²u²(xᵢ) + términos de covarianza

Si las covarianzas son nulas:

u₍c₎(y)=√[Σ(cᵢu(xᵢ))²]

También establecimos:

cota ≠ incertidumbre estándar
independencia ≠ necesariamente covarianza nula como concepto
correlación ≠ detalle opcional
u₍c₎ ≠ U

El presupuesto de incertidumbre conecta:

entrada → u(xᵢ) → sensibilidad → contribución → dependencia → combinación

En la Parte 8 obtendremos reglas particulares para sumas, productos, cocientes y potencias a partir de esta formulación general.

Referencias

Joint Committee for Guides in Metrology. (2008). Evaluation of measurement data—Guide to the expression of uncertainty in measurement (JCGM 100:2008). Bureau International des Poids et Mesures. https://doi.org/10.59161/JCGM100-2008E

Joint Committee for Guides in Metrology. (2020). Guide to the expression of uncertainty in measurement—Part 6: Developing and using measurement models (JCGM GUM-6:2020). Bureau International des Poids et Mesures. https://doi.org/10.59161/JCGMGUM-6-2020

Joint Committee for Guides in Metrology. (2023). Guide to the expression of uncertainty in measurement—Part 1: Introduction (JCGM GUM-1:2023). Bureau International des Poids et Mesures. https://doi.org/10.59161/JCGMGUM-1-2023

Taylor, B. N., & Kuyatt, C. E. (1994). Guidelines for evaluating and expressing the uncertainty of NIST measurement results (NIST Technical Note 1297). National Institute of Standards and Technology. https://doi.org/10.6028/NIST.TN.1297

SIGUE · PARTE 8 DE 9

Reglas particulares de propagación

Ya poseemos la formulación general.

Ahora veremos cómo se simplifica para modelos frecuentes:

Y=X₁±X₂
Y=aX
Y=X₁X₂
Y=X₁/X₂
Y=Xⁿ
Y=aX₁ᵖX₂ᑫ…

También distinguiremos:

incertidumbre absoluta

de:

incertidumbre relativa

y veremos por qué los exponentes aparecen como factores en la propagación relativa.

La Parte 8 comienza en 5.140 · Figura 5.40 · Tabla 5.25 · Demostración 29 .

ANÁLISIS DE CIRCUITOS EN INGENIERÍA
CAPÍTULO 5 · PARTE 8 DE 9

Reglas particulares de propagación

Sumas, productos, cocientes, potencias y expresiones mixtas

incertidumbre absoluta · incertidumbre relativa · exponentes · correlación · modelos

Al finalizar esta parte podrás:
deducir reglas particulares a partir del modelo general de propagación;
distinguir incertidumbre estándar absoluta de incertidumbre estándar relativa;
propagar incertidumbres en sumas y restas;
propagar incertidumbres en productos y cocientes;
aplicar el factor asociado a un exponente en una potencia;
resolver productos de potencias;
identificar cuándo una fórmula simplificada deja de ser apropiada;
regresar al método general mediante derivadas parciales cuando una expresión es mixta o compleja.

5.140. Las reglas particulares no son fórmulas aisladas

FUNDAMENTAL · ●○○○

En las Partes 6 y 7 partimos del modelo general:

Y=f(X₁,X₂,…,Xₙ)

y de los coeficientes de sensibilidad:

ci=∂f/∂Xi.

Para entradas no correlacionadas, la aproximación de primer orden conduce a:

uc(y)=√[Σ(ciu(xi))²].

Si el modelo posee una forma algebraica sencilla, esta expresión puede simplificarse.

Así aparecen las reglas conocidas para:

suma y resta
multiplicación y división
potencias
regla particular = consecuencia del modelo general
Figura 5.40. De la ley general de propagación a las reglas particulares
MODELO GENERAL Y=f(X₁,…,Xₙ) COEFICIENTES DE SENSIBILIDAD cᵢ=∂f/∂Xᵢ SUMA / RESTA forma absoluta PRODUCTO COCIENTE forma relativa POTENCIAS aparece |n| FUNCIÓN GENERAL derivadas si una simplificación genera dudas → volver al modelo general
Nota. Las reglas particulares se obtienen de la estructura funcional del modelo y de sus coeficientes de sensibilidad. Elaboración propia.

5.141. Incertidumbre absoluta e incertidumbre relativa

INTERMEDIO · ●●○○

La incertidumbre estándar absoluta:

u(x)

posee la misma unidad que:

x.

Por ejemplo:

V=10,00 V;   u(V)=0,02 V.

La incertidumbre estándar relativa se define, para x≠0, como:

ur(x)=u(x)/|x|.

En el ejemplo:

ur(V)=0,02/10,00=0,002.

En porcentaje:

0,002×100 %=0,20 %.
Dos maneras de expresar la misma incertidumbre
u(V)=0,02 V
ur(V)=0,002=0,20 %

Tabla 5.25. Cuándo resulta más natural utilizar incertidumbre absoluta o relativa

Modelo Forma especialmente útil Razón
Y=X₁±X₂ Absoluta Los coeficientes de sensibilidad son ±1.
Y=AX Absoluta o relativa La incertidumbre absoluta se escala por |A|.
Y=X₁X₂ Relativa La expresión se simplifica al dividir entre |Y|.
Y=X₁/X₂ Relativa Numerador y denominador aparecen de forma simétrica en la expresión relativa no correlacionada.
Y=Xⁿ Relativa El exponente aparece como factor multiplicativo.

5.142. Suma y resta

Consideremos:

Y=X₁+X₂.

Las sensibilidades son:

c₁=1

y:

c₂=1.

Para entradas no correlacionadas:

uc(y)=√[u²(x₁)+u²(x₂)].

Si:

Y=X₁−X₂,

entonces:

c₁=1

y:

c₂=−1.

Sin correlación:

uc(y)=√[u²(x₁)+u²(x₂)].
las magnitudes pueden restarse; las varianzas no se restan
DEMOSTRACIÓN 29 · INTERMEDIO · ●●○○

5.143. Diferencia de potencial obtenida por resta

Supongamos:

V₁=12,40 V;   u(V₁)=0,03 V
V₂=3,15 V;   u(V₂)=0,02 V

y consideremos las entradas no correlacionadas.

Valor:

ΔV=V₁−V₂
ΔV=9,25 V.

Incertidumbre estándar combinada:

uc(ΔV)=√(0,03²+0,02²) V
uc(ΔV)≈0,036 V.

Con dos cifras significativas en la incertidumbre:

ΔV=9,250 V;   uc(ΔV)=0,036 V.

La incertidumbre de V₂ no se resta de la de V₁.

5.144. ¿Qué cambia si las cantidades sumadas o restadas están correlacionadas?

PROFUNDIZACIÓN · ●●●●

Para:

Y=X₁+X₂

la expresión general es:

uc²(y) = u²(x₁)+u²(x₂) + 2r₁₂u(x₁)u(x₂).

Para:

Y=X₁−X₂

obtenemos:

uc²(y) = u²(x₁)+u²(x₂) − 2r₁₂u(x₁)u(x₂).

Observe que ahora:

el signo de la operación sí aparece en el término de correlación.
Consecuencia importante

La afirmación «suma y resta tienen siempre exactamente la misma propagación» solo es cierta para la forma simplificada en la que la covarianza relevante es nula.

Figura 5.41. La correlación distingue suma y resta cuando existe un término cruzado
Y=X₁+X₂ u₍c₎² = u₁²+u₂² + 2r u₁u₂ sensibilidades del mismo signo Y=X₁−X₂ u₍c₎² = u₁²+u₂² − 2r u₁u₂ sensibilidades de signo contrario si r=0, ambas expresiones se reducen a la misma suma en cuadratura
Nota. La diferencia proviene de los signos de los coeficientes de sensibilidad en el término de covarianza. Elaboración propia.

5.145. Multiplicación por una constante exacta

Consideremos:

Y=AX

donde A es una constante exacta del modelo.

La sensibilidad es:

c=A.

Por tanto:

u(y)=|A|u(x).

Si A≠0:

ur(y)=ur(x).

Es decir, una constante exacta cambia la escala absoluta de la incertidumbre, pero no la incertidumbre relativa.

Atención

Si A posee incertidumbre, ya no debe tratarse como constante exacta: se convierte en otra magnitud de entrada del modelo.

5.146. Producto de dos magnitudes

INTERMEDIO · ●●○○

Sea:

Y=X₁X₂.

Las sensibilidades son:

c₁=x₂

y:

c₂=x₁.

Para entradas no correlacionadas:

uc²(y) = x₂²u²(x₁)+x₁²u²(x₂).

Al dividir por:

y²=x₁²x₂²

obtenemos:

[uc(y)/|y|]² = [u(x₁)/|x₁|]² + [u(x₂)/|x₂|]².

Por tanto:

uc,r(y) = √[ur²(x₁)+ur²(x₂)].
DEMOSTRACIÓN 30 · INTERMEDIO · ●●○○

Carga eléctrica obtenida mediante Q=It

Supongamos:

I=2,50 mA;   u(I)=0,01 mA
t=120,0 s;   u(t)=0,2 s

y entradas no correlacionadas.

Valor:

Q=It
Q=0,300 C.

Incertidumbres relativas:

ur(I)=0,01/2,50=0,00400
ur(t)=0,2/120,0≈0,00167.

Combinamos:

uc,r(Q) = √(0,00400²+0,00167²)
uc,r(Q)≈0,00433.

Incertidumbre absoluta:

uc(Q)=0,300×0,00433 C
uc(Q)≈0,00130 C.

El modelo puede comunicarse como Q=0,3000 C; u₍c₎(Q)=0,0013 C, si esa política de redondeo se mantiene.

5.147. Cociente de dos magnitudes

Sea:

Y=X₁/X₂.

Las sensibilidades son:

c₁=1/x₂

y:

c₂=−x₁/x₂².

Para entradas no correlacionadas:

uc,r(y) = √[ur²(x₁)+ur²(x₂)].

Por tanto, producto y cociente poseen la misma forma relativa simplificada cuando la covarianza es nula.

en un cociente, la incertidumbre relativa del denominador no se resta
DEMOSTRACIÓN 31 · AVANZADO · ●●●○

Resistencia obtenida mediante R=V/I

Datos:

V=10,00 V;   u(V)=0,02 V
I=2,000 mA;   u(I)=0,005 mA

con covarianza nula.

Valor:

R=10,00 V / 2,000 mA
R=5,000 kΩ.

Incertidumbres relativas:

ur(V)=0,02/10,00=0,00200
ur(I)=0,005/2,000=0,00250.

Combinamos:

uc,r(R) = √(0,00200²+0,00250²)
uc,r(R)≈0,00320.

Entonces:

uc(R)=5,000×0,00320 kΩ
uc(R)≈0,0160 kΩ.

Una presentación coherente es: R=5,000 kΩ; u₍c₎(R)=0,016 kΩ.

Figura 5.42. Producto y cociente: la forma relativa revela la estructura común
PRODUCTO Y=X₁X₂ u₍c,r₎ = √(uᵣ₁²+uᵣ₂²) si covarianza = 0 COCIENTE Y=X₁/X₂ u₍c,r₎ = √(uᵣ₁²+uᵣ₂²) si covarianza = 0 el signo del exponente desaparece al elevar la contribución al cuadrado
Nota. La igualdad de las fórmulas simplificadas supone entradas no correlacionadas y aproximación lineal de primer orden. Elaboración propia.

5.148. Propagación en una potencia

AVANZADO · ●●●○

Consideremos:

Y=Xⁿ

donde n es un exponente exacto.

La derivada es:

dY/dX=nXn−1.

Para una sola entrada:

u(y)≈|nXn−1|u(x).

Al dividir por:

|y|=|Xⁿ|

obtenemos:

ur(y)≈|n|ur(x).
el valor absoluto del exponente multiplica la incertidumbre relativa
DEMOSTRACIÓN 32 · AVANZADO · ●●●○

Área de una sección circular

Modelo:

A=πd²/4.

Como π/4 es una constante exacta del modelo:

A∝d².

Supongamos:

d=25,00 mm
u(d)=0,02 mm.

Incertidumbre relativa de d:

ur(d)=0,02/25,00=0,0008.

Como el exponente es 2:

ur(A)≈2×0,0008
ur(A)≈0,0016.

Área:

A≈490,874 mm².

Incertidumbre estándar:

u(A)≈490,874×0,0016 mm²
u(A)≈0,785 mm².

Coincide con el resultado obtenido mediante c₍d₎=πd/2 en la Parte 7.

Figura 5.43. El exponente amplifica o reduce la incertidumbre relativa local
0 0,5 1 2 3 |n| 0 1 2 3 factor relativo = |n|
Nota. Representación del factor de primer orden para Y=Xⁿ. La gráfica no afirma que la incertidumbre absoluta crezca linealmente con n. Elaboración propia.

5.149. Producto general de potencias

Muchas ecuaciones de ingeniería pueden escribirse como:

Y=A·X₁a₁X₂a₂…Xₙaₙ

donde A es una constante exacta.

Para entradas no correlacionadas:

uc,r(y) ≈ √[ (a₁ur(x₁))²+ (a₂ur(x₂))²+ …+ (aₙur(xₙ))² ].

En una cota linealizada de peor caso, si bᵢ representa un semiancho apropiado:

Br,y ≈ Σ |ai| bi/|xi|.
No mezclar significados

u(xᵢ) es una incertidumbre estándar. bᵢ representa aquí un límite o semiancho. Aunque los números coincidan accidentalmente, no son cantidades intercambiables.

5.150. Correlación en productos de potencias

PROFUNDIZACIÓN · ●●●●

Cuando existen correlaciones, la forma relativa general de primer orden puede escribirse:

uc,r²(y) ≈ Σ ai²ur²(xi) + 2Σi<j aiajrij ur(xi) ur(xj).

Así, para:

Y=X₁/X₂=X₁¹X₂−1

el término cruzado contiene:

1×(−1)×r₁₂.

Por eso una correlación positiva puede producir un efecto diferente en un cociente que en un producto.

5.151. Aplicación en circuitos: P=V²/R

AVANZADO · ●●●○

La potencia disipada por un resistor puede escribirse:

P=V²/R.

Equivalentemente:

P=V²R−1.

Por tanto:

aV=2

y:

aR=−1.
DEMOSTRACIÓN 33 · AVANZADO · ●●●○

Potencia disipada por un resistor

Supongamos:

V=12,00 V;   u(V)=0,02 V
R=100,0 Ω;   u(R)=0,2 Ω

con entradas no correlacionadas.

Valor:

P=12,00²/100,0 W
P=1,440 W.

Incertidumbres relativas:

ur(V)=0,02/12,00≈0,001667
ur(R)=0,2/100,0=0,002000.

Como V aparece al cuadrado:

2ur(V)≈0,003333.

Combinamos:

uc,r(P) = √[(0,003333)²+(0,002000)²]
uc,r(P)≈0,003887.

Entonces:

uc(P)=1,440×0,003887 W
uc(P)≈0,00560 W.

Presentación:

P=1,4400 W;   uc(P)=0,0056 W.

No hemos multiplicado u(P) por un factor de cobertura.

Figura 5.44. Modelo de potencia P=V²/R en un resistor
V R MODELO DE POTENCIA P=V²R⁻¹
Nota. Esquema resistivo ideal de corriente continua. El resistor se representa mediante el símbolo rectangular IEC. Elaboración propia.

5.152. Expresiones mixtas: no aplicar reglas por fragmentos sin revisar el modelo

AVANZADO · ●●●○

Consideremos:

I=V/(R₁+R₂).

La expresión contiene:

una suma dentro de un cociente.

No es buena práctica resolver primero:

R₁+R₂

aplicar una regla, redondear, y después tratar el cociente como un problema independiente.

Es preferible conservar el modelo completo:

I=f(V,R₁,R₂)

y calcular:

∂I/∂V=1/(R₁+R₂)
∂I/∂R₁=−V/(R₁+R₂)²
∂I/∂R₂=−V/(R₁+R₂)².
expresión mixta → volver al modelo general
Figura 5.45. Una expresión mixta debe analizarse como un único modelo
V R₁ R₂ I MODELO COMPLETO I=V/(R₁+R₂)
Nota. Esquema resistivo ideal. La suma R₁+R₂ forma parte del modelo completo y no necesita convertirse en un problema independiente antes de propagar. Elaboración propia.

5.153. Ejemplo integrado de una expresión mixta

Supongamos:

V=12,00 V;   u(V)=0,02 V
R₁=1,000 kΩ;   u(R₁)=0,005 kΩ
R₂=2,000 kΩ;   u(R₂)=0,010 kΩ

y entradas no correlacionadas.

El valor es:

I=12,00/(1,000+2,000) mA=4,000 mA.

Sensibilidades:

cV=1/3,000≈0,3333 mA/V
cR₁=−12,00/3,000²≈−1,333 mA/kΩ
cR₂=−1,333 mA/kΩ.

Contribuciones:

|cV|u(V)≈0,00667 mA
|cR₁|u(R₁)≈0,00667 mA
|cR₂|u(R₂)≈0,01333 mA.

Entonces:

uc(I) = √(0,00667²+0,00667²+0,01333²) mA
uc(I)≈0,0163 mA.

Presentación:

I=4,000 mA;   uc(I)=0,016 mA.

5.154. Dominio de validez y casos problemáticos

PROFUNDIZACIÓN · ●●●●

Las reglas relativas resultan muy cómodas, pero tienen límites.

Por ejemplo, la cantidad:

ur(x)=u(x)/|x|

se vuelve problemática si:

x≈0.

Además, la linealización de una potencia:

ur(y)≈|n|ur(x)

requiere que:

  • el modelo sea válido en la región considerada;
  • la variación sea suficientemente pequeña;
  • la derivada represente adecuadamente la respuesta local;
  • la función esté definida para los valores relevantes.

Si estas condiciones fallan, pueden requerirse métodos más generales, incluida propagación numérica o Monte Carlo.

5.155. Tabla general de reglas particulares

Modelo Entradas no correlacionadas Forma especialmente útil
Y=X₁±X₂ u₍c₎=√[u²(x₁)+u²(x₂)] Absoluta
Y=AX, A exacta u(y)=|A|u(x) Absoluta
Y=X₁X₂ u₍c,r₎=√[uᵣ²(x₁)+uᵣ²(x₂)] Relativa
Y=X₁/X₂ u₍c,r₎=√[uᵣ²(x₁)+uᵣ²(x₂)] Relativa
Y=Xⁿ uᵣ(y)≈|n|uᵣ(x) Relativa
Y=A∏Xᵢᵃⁱ u₍c,r₎≈√[Σ(aᵢuᵣ(xᵢ))²] Relativa
Y=f(X₁,…,Xₙ) Usar sensibilidades, varianzas y covarianzas General

Tabla 5.27. Versión paralela para una cota linealizada de peor caso

Modelo Cota linealizada
Y=X₁±X₂ Bᵧ≈b₁+b₂
Y=AX Bᵧ≈|A|bₓ
Y=X₁X₂ o X₁/X₂ Bᵣ,y≈b₁/|x₁|+b₂/|x₂|
Y=Xⁿ Bᵣ,y≈|n|bₓ/|x|
Y=A∏Xᵢᵃⁱ Bᵣ,y≈Σ|aᵢ|bᵢ/|xᵢ|
Las tablas no deben mezclarse

La Tabla 5.26 utiliza incertidumbres estándar. La Tabla 5.27 utiliza límites o semianchos. No son dos métodos intercambiables para los mismos símbolos.

5.156. Estrategia para seleccionar la regla

1.

Escriba primero el modelo completo.
2.

Identifique cuáles cantidades son realmente inciertas.
3.

Distinga incertidumbres estándar de límites o tolerancias.
4.

Examine posibles correlaciones.
5.

Si el modelo es simple, utilice una regla particular deducida.
6.

Si el modelo es mixto o dudoso, vuelva a las derivadas parciales.

5.157. Errores frecuentes, práctica y respuestas

Error 1 · Restar incertidumbres porque las magnitudes se restan

En el caso no correlacionado las varianzas se suman.

Error 2 · Sumar incertidumbres relativas en todo producto

Esa es una regla de cota de peor caso, no la regla de incertidumbres estándar no correlacionadas.

Error 3 · Restar la incertidumbre relativa del denominador

En el cociente no correlacionado aparece al cuadrado y contribuye positivamente.

Error 4 · Utilizar n en lugar de |n| para una sola potencia

Una incertidumbre estándar es no negativa.

Error 5 · Tratar toda constante como exacta

Una constante experimental con incertidumbre debe tratarse como entrada.

Error 6 · Ignorar correlaciones

Las reglas simples son casos particulares.

Error 7 · Aplicar reglas por fragmentos en una expresión mixta

Es preferible analizar el modelo completo.

Error 8 · Confundir propagación con cifras significativas

Primero se evalúa la incertidumbre; después se decide cómo presentar el resultado.

Práctica graduada

FUNDAMENTAL · ●○○○

1. Para entradas no correlacionadas:

X₁=8,0;   u(X₁)=0,2
X₂=3,0;   u(X₂)=0,1

calcula la incertidumbre estándar de:

  1. Y=X₁+X₂;
  2. Y=X₁−X₂.
INTERMEDIO · ●●○○

2. Producto

X=10,0;   u(X)=0,1
Y=5,00;   u(Y)=0,05.

Calcula:

Z=XY

y su incertidumbre estándar combinada suponiendo covarianza nula.

AVANZADO · ●●●○

3. Potencia

Y=X−3.

Si:

ur(X)=0,004,

determina la incertidumbre relativa estándar aproximada de Y.

PROFUNDIZACIÓN · ●●●●

4. Producto de potencias

Y=A·X²Z−3

con A exacta y entradas no correlacionadas.

ur(X)=0,010
ur(Z)=0,020.

Obtén:

uc,r(Y).

Respuestas orientadoras

Ejercicio 1

Para suma y resta, con covarianza nula:

uc=√(0,2²+0,1²)=√0,05≈0,224.

Por tanto, tanto X₁+X₂ como X₁−X₂ poseen en este caso la misma incertidumbre estándar:

uc≈0,22.
Ejercicio 2
Z=10,0×5,00=50,0.
ur(X)=0,1/10,0=0,010.
ur(Y)=0,05/5,00=0,010.
uc,r(Z)=√(0,010²+0,010²)≈0,01414.
uc(Z)=50,0×0,01414≈0,707.
Ejercicio 3
ur(Y)≈|−3|×0,004.
ur(Y)≈0,012=1,2 %.
Ejercicio 4
uc,r(Y) = √[(2×0,010)²+(−3×0,020)²].
uc,r(Y) = √(0,020²+0,060²).
uc,r(Y)≈0,0632.
uc,r(Y)≈6,32 %.

Tabla 5.28. Lista de control para no aplicar una regla fuera de contexto

Pregunta Si la respuesta es «no»
¿Está definido el modelo completo? No propagar todavía.
¿Sé cuáles entradas poseen incertidumbre? Identificar las fuentes antes de calcular.
¿Las cantidades son incertidumbres estándar? No utilizar automáticamente suma en cuadratura.
¿Las covarianzas son nulas o despreciables? Utilizar la formulación con términos de correlación.
¿La aproximación lineal es adecuada? Considerar métodos de orden superior o propagación numérica.
¿La expresión pertenece claramente a una regla particular? Volver a cᵢ=∂f/∂Xᵢ.

5.158. Síntesis de la Parte 8

Las reglas particulares son simplificaciones de la propagación general.

suma y resta → incertidumbres absolutas
producto y cociente → incertidumbres relativas
potencia → |n| multiplica la incertidumbre relativa

Para entradas no correlacionadas:

Y=X₁±X₂
u₍c₎=√(u₁²+u₂²)
Y=X₁X₂ o X₁/X₂
u₍c,r₎=√(uᵣ₁²+uᵣ₂²)
Y=Xⁿ
uᵣ(Y)≈|n|uᵣ(X)

Pero conservamos cuatro advertencias esenciales:

regla simplificada ≠ ley universal
u ≠ límite de peor caso
covarianza ≠ detalle opcional
expresión mixta → analizar el modelo completo

Con esto ya poseemos todas las herramientas para resolver un proceso completo:

medir → modelar → propagar → redondear → comunicar

La Parte 9 integrará todo el Capítulo 5 en problemas completos y en una evaluación final.

Referencias

Joint Committee for Guides in Metrology. (2008). Evaluation of measurement data—Guide to the expression of uncertainty in measurement (JCGM 100:2008). Bureau International des Poids et Mesures. https://doi.org/10.59161/JCGM100-2008E

Joint Committee for Guides in Metrology. (2020). Guide to the expression of uncertainty in measurement—Part 6: Developing and using measurement models (JCGM GUM-6:2020). Bureau International des Poids et Mesures. https://doi.org/10.59161/JCGMGUM-6-2020

Joint Committee for Guides in Metrology. (2023). Guide to the expression of uncertainty in measurement—Part 1: Introduction (JCGM GUM-1:2023). Bureau International des Poids et Mesures. https://doi.org/10.59161/JCGMGUM-1-2023

Taylor, B. N., & Kuyatt, C. E. (1994). Guidelines for evaluating and expressing the uncertainty of NIST measurement results (NIST Technical Note 1297). National Institute of Standards and Technology. https://doi.org/10.6028/NIST.TN.1297

SIGUE · PARTE 9 DE 9

Integración, proyecto y evaluación final

Hemos estudiado por separado:

cifras significativas
redondeo
presentación de resultados
modelo de medición
sensibilidad
incertidumbre estándar combinada
correlación
reglas particulares de propagación

Ahora las integraremos en una sola secuencia:

problema físico → mediciones → modelo → cálculo → incertidumbre → presentación → interpretación

La Parte 9 incluirá:

proyecto integrado de circuito
presupuesto completo de incertidumbre
ejercicios multinivel
evaluación final
mapa conceptual del Capítulo 5
bibliografía consolidada en APA 7

La Parte 9 comienza en 5.159 · Figura 5.46 · Tabla 5.29 · Demostración 34 .

ANÁLISIS DE CIRCUITOS EN INGENIERÍA
CAPÍTULO 5 · PARTE 9 DE 9

Integración, proyecto y evaluación final

De la medición al resultado científicamente comunicado

medir · modelar · calcular · propagar · interpretar · redondear · comunicar

Al finalizar el capítulo podrás:
definir con precisión la magnitud que se desea determinar;
distinguir datos experimentales, modelo matemático y resultado calculado;
identificar y evaluar las incertidumbres de entrada;
calcular coeficientes de sensibilidad;
seleccionar un modelo de propagación coherente con la información disponible;
combinar incertidumbres estándar considerando posibles correlaciones;
aplicar criterios de redondeo sin introducir aproximaciones prematuras;
presentar un resultado distinguiendo u, uc, U y una cota B;
interpretar un presupuesto de incertidumbre para mejorar un experimento;
resolver de principio a fin problemas de medición relacionados con circuitos eléctricos.

5.159. El capítulo termina integrando, no agregando otra fórmula

FUNDAMENTAL · ●○○○

Hasta ahora hemos estudiado por separado:

cifras significativas
redondeo
notación
modelos de medición
sensibilidad
propagación
correlación
incertidumbre estándar
comunicación del resultado

En un problema real, estas decisiones no aparecen aisladas.

Forman una secuencia:

realidad → datos → modelo → cálculo → incertidumbre → interpretación → comunicación
Idea de cierre

Un resultado de ingeniería no es solamente el número que produce una calculadora. Es una afirmación cuantitativa respaldada por un procedimiento de medición, un modelo, una evaluación de incertidumbre y unas reglas explícitas de comunicación.

Figura 5.46. Ciclo completo de una medición cuantitativa
1 · DEFINIR QUÉ SE DESEA DETERMINAR 2 · OBTENER Y DOCUMENTAR LOS DATOS 3 · FORMULAR EL MODELO DE MEDICIÓN 4 · CALCULAR EL VALOR DE SALIDA 5 · EVALUAR INCERTIDUMBRES DE ENTRADA 6 · PROPAGAR Y COMBINAR 7 · INTERPRETAR EL PRESUPUESTO 8 · REDONDEAR DE FORMA COHERENTE 9 · COMUNICAR EL RESULTADO valor · unidad · incertidumbre · información de cobertura
Nota. La secuencia representa una estructura general. En un proceso real puede ser necesario regresar a etapas anteriores para revisar el modelo, los datos o el diseño experimental. Elaboración propia.

5.160. Procedimiento integrado de referencia

Tabla 5.29. Procedimiento completo para resolver un problema de medición

Paso Pregunta Producto esperado
1 ¿Qué magnitud queremos determinar? Mensurando definido.
2 ¿Qué datos están disponibles? Valores, unidades e información experimental.
3 ¿Cuál es el modelo? Y=f(X₁,…,Xₙ).
4 ¿Qué valor produce el modelo? Valor de trabajo sin redondeos prematuros.
5 ¿Cómo se caracteriza cada entrada? u(xᵢ), límites, certificados, Tipo A o Tipo B según corresponda.
6 ¿Cómo responde Y a cada entrada? Coeficientes de sensibilidad cᵢ.
7 ¿Existen dependencias? Covarianzas o coeficientes de correlación cuando sean relevantes.
8 ¿Qué cantidad queremos combinar? Cota B o incertidumbre estándar combinada u₍c₎.
9 ¿Qué contribuciones dominan? Presupuesto interpretado.
10 ¿Cómo debe redondearse? Incertidumbre y valor armonizados.
11 ¿Qué se está reportando? u, u₍c₎, U o B identificada explícitamente.
12 ¿La comunicación final es coherente? Valor, unidad, incertidumbre y contexto claramente expresados.

5.161. Proyecto integrado de circuitos: divisor resistivo

AVANZADO · ●●●○

Consideremos el siguiente escenario didáctico.

Se desea determinar la tensión:

Vo

en el resistor R₂ de un divisor resistivo alimentado por una fuente de corriente continua.

Los valores de entrada son:

Vs=12,00 V;   u(Vs)=0,02 V
R₁=1,000 kΩ;   u(R₁)=0,005 kΩ
R₂=2,000 kΩ;   u(R₂)=0,010 kΩ.

Para esta demostración se supone que las tres entradas son:

no correlacionadas.

El modelo ideal es:

Vo=VsR₂/(R₁+R₂).
Figura 5.47. Circuito del proyecto integrado: divisor resistivo
Vₛ R₁ R₂ Vₒ MODELO IDEAL Vₒ=VₛR₂/(R₁+R₂)
Nota. Escenario didáctico hipotético. Resistores representados mediante símbolo rectangular conforme a la convención IEC. El modelo supone un divisor resistivo ideal y una medición de salida que no introduce efecto de carga significativo. Elaboración propia.
DEMOSTRACIÓN 34 · AVANZADO · ●●●○

5.162. Resolver completamente el divisor resistivo

Modelo:

Vo=VsR₂/(R₁+R₂)

Sustituimos sin redondeos intermedios:

Vo = 12,00×2,000/(1,000+2,000) V
Vo=8,000 V.

Ahora calculamos las sensibilidades.

Respecto de Vs:

cVs = R₂/(R₁+R₂)
cVs=0,6667 V/V.

Respecto de R₁:

cR1 = −VsR₂/(R₁+R₂)²
cR1≈−2,6667 V/kΩ.

Respecto de R₂:

cR2 = VsR₁/(R₁+R₂)²
cR2≈1,3333 V/kΩ.

Contribución de la fuente:

|cVs|u(Vs) = 0,6667×0,02 V
≈0,01333 V.

Contribución de R₁:

|cR1|u(R₁) = 2,6667×0,005 V
≈0,01333 V.

Contribución de R₂:

|cR2|u(R₂) = 1,3333×0,010 V
≈0,01333 V.

Como las entradas se han supuesto no correlacionadas:

uc(Vo) = √[ 0,01333²+ 0,01333²+ 0,01333² ] V
uc(Vo)≈0,02309 V.

Con dos cifras significativas:

uc(Vo)≈0,023 V.

Armonizamos el valor:

Vo=8,000 V;   uc(Vo)=0,023 V.

Ésta es una comunicación con incertidumbre estándar combinada. No se ha aplicado ningún factor de cobertura.

5.163. Presupuesto de incertidumbre del divisor

Tabla 5.30. Presupuesto de incertidumbre para Vₒ

Entrada Valor u(xᵢ) cᵢ |cᵢ|u(xᵢ)
Vₛ 12,00 V 0,02 V 0,6667 V/V 0,01333 V
R₁ 1,000 kΩ 0,005 kΩ −2,6667 V/kΩ 0,01333 V
R₂ 2,000 kΩ 0,010 kΩ 1,3333 V/kΩ 0,01333 V

En este ejemplo cuidadosamente construido, las tres contribuciones tienen la misma magnitud:

≈0,01333 V.

Por tanto, cada una aporta aproximadamente:

1/3 de la varianza combinada.

No existe aquí una única entrada dominante.

Figura 5.48. Contribuciones estándar del divisor resistivo
0 0,005 0,010 0,015 0,020 contribución estándar · V Vₛ R₁ R₂ 0,01333 0,01333 0,01333 NINGUNA ENTRADA DOMINA ESTE EJEMPLO
Nota. Escenario didáctico hipotético. Las barras muestran |cᵢ|u(xᵢ), no errores ni intervalos de cobertura. Elaboración propia.

5.164. El presupuesto también sirve para tomar decisiones

Supongamos que se desea reducir:

uc(Vo).

El presupuesto muestra que las tres contribuciones son semejantes.

Por tanto, mejorar exclusivamente una de ellas no eliminará las otras dos.

Ingeniería de la medición

La propagación de incertidumbre no sirve únicamente para escribir el resultado final.

También permite decidir dónde conviene invertir esfuerzo, tiempo o dinero para mejorar una medición.

DEMOSTRACIÓN 35 · PROFUNDIZACIÓN · ●●●●

5.165. De u₍c₎ a una incertidumbre expandida

Del proyecto obtuvimos:

Vo=8,000 V
uc(Vo)≈0,02309 V.

Si, para un propósito de reporte definido, se adopta:

k=2,

entonces:

U=k·uc
U=2×0,02309 V
U≈0,04618 V.

Con dos cifras significativas:

U≈0,046 V.

El valor principal termina en milésimas:

Vo=(8,000±0,046) V

y debe acompañarse de:

U=0,046 V;   k=2.

El uso de k=2 no debe interpretarse automáticamente como una cobertura exacta determinada sin considerar las condiciones estadísticas y metrológicas correspondientes.

5.166. Dos comunicaciones correctas, pero con significados diferentes

Con incertidumbre estándar combinada

Vo=8,000 V;
uc(Vo)=0,023 V.
Con incertidumbre expandida

Vo=(8,000±0,046) V;
U=0,046 V;
k=2.
uc ≠ U

La segunda comunicación no es «más correcta».

Responde a una necesidad de reporte distinta.

5.167. Tres familias de problemas integradores

El documento base utiliza tres situaciones que permiten reconocer tres estructuras matemáticas fundamentales.

Tabla 5.31. Tres estructuras de propagación representativas

Situación Modelo Estructura dominante
Masa total de líquido Lₜ=(M₁−m₁)+(M₂−m₂) Sumas y restas
Altura por semejanza L=L₁L₂/L₃ Producto y cociente
Péndulo simple g=4π²LT⁻² Producto de potencias
Divisor resistivo Vₒ=VₛR₂/(R₁+R₂) Expresión mixta → derivadas parciales
Figura 5.49. Cuatro modelos que resumen la lógica de propagación del capítulo
SUMA / RESTA Lₜ=(M₁−m₁)+(M₂−m₂) forma absoluta PRODUCTO / COCIENTE L=L₁L₂/L₃ forma relativa POTENCIAS g=4π²LT⁻² exponentes como factores EXPRESIÓN MIXTA Vₒ=VₛR₂/(R₁+R₂) derivadas parciales primero reconocer el modelo; después seleccionar la herramienta
Nota. Los cuatro modelos ilustran estructuras distintas. Las fórmulas simplificadas no deben aplicarse fuera de sus condiciones de validez. Elaboración propia.
DEMOSTRACIÓN 36 · INTERMEDIO · ●●○○

5.168. Problema aditivo: masa total de líquido

Datos didácticos del problema base:

m₁=72 g;   u(m₁)=1 g
m₂=97 g;   u(m₂)=1 g
M₁=540 g;   u(M₁)=10 g
M₂=940 g;   u(M₂)=20 g.

Modelo:

Lₜ=(M₁−m₁)+(M₂−m₂).

Valor:

Lₜ=(540−72)+(940−97)
Lₜ=1311 g.

Si las cuatro incertidumbres estándar se consideran no correlacionadas:

uc(Lₜ) = √(10²+1²+20²+1²) g
uc(Lₜ)=√502 g≈22,4 g.

Con dos cifras significativas:

Lₜ=1311 g;   uc(Lₜ)=22 g.

Si los números 10, 1, 20 y 1 fueran en cambio límites de peor caso, deberían identificarse como tales y se construiría una cota B=32 g.

DEMOSTRACIÓN 37 · AVANZADO · ●●●○

5.169. Producto y cociente: altura mediante semejanza

Datos del problema base:

L₁=200 cm
L₂=100,0 cm
L₃=10,3 cm.

Modelo:

L=L₁L₂/L₃.

Valor de trabajo:

L≈1941,74757 cm.

En el ejemplo original, las contribuciones relativas numéricas son:

2/200=0,0100
0,4/100,0=0,0040
0,2/10,3≈0,0194.

Si estas cantidades corresponden a incertidumbres estándar relativas no correlacionadas:

uc,r(L) = √(0,0100²+0,0040²+0,0194²)
uc,r(L)≈0,0222.

Entonces:

uc(L)≈43,1 cm.

La contribución relativa mayor es:

L₃ → aproximadamente 1,94 %.

Por tanto, dentro de este modelo y este conjunto de datos, mejorar L₃ sería una estrategia especialmente relevante.

DEMOSTRACIÓN 38 · AVANZADO · ●●●○

5.170. Producto de potencias: péndulo simple

El documento base proporciona:

T=2π√(L/g).

Despejamos:

g=4π²L/T².

También:

g=4π²L¹T−2.

Para L y T no correlacionados:

uc,r(g) = √[ (u(L)/L)²+ (2u(T)/T)² ].

La contribución relativa del periodo aparece multiplicada por:

2.

porque su exponente es:

−2.

El documento base no proporciona en este problema un conjunto completo de valores numéricos de L, T y sus incertidumbres; por ello el cierre se conserva deliberadamente en forma simbólica.

5.171. Tres etapas que nunca debemos confundir

INTERMEDIO · ●●○○
1 · CALCULAR

Obtener el valor que produce el modelo.
2 · EVALUAR INCERTIDUMBRE

Determinar qué incertidumbre corresponde a ese valor.
3 · COMUNICAR

Redondear y expresar el resultado coherentemente.
cálculo del valor ≠ evaluación de incertidumbre ≠ presentación
Figura 5.50. Cálculo, evaluación de incertidumbre y comunicación son etapas diferentes
1 · CALCULAR valor de trabajo 1941,74757 cm 2 · INCERTIDUMBRE p. ej. u₍c₎ 43,1 cm 3 · COMUNICAR armonizar cifras L=1942 cm u₍c₎=43 cm cada etapa responde a una pregunta diferente
Nota. Ejemplo basado en el problema de semejanza del documento fuente, expresando la segunda cantidad explícitamente como incertidumbre estándar combinada. Elaboración propia.

5.172. Errores finales que debemos ser capaces de detectar

Error 1 · Redondear demasiado pronto

Los resultados intermedios deben conservar suficientes cifras de guarda.

Error 2 · Confundir resolución con precisión

La resolución pertenece al sistema de medición; precisión describe dispersión bajo condiciones especificadas.

Error 3 · Confundir error e incertidumbre

Son conceptos metrológicos diferentes.

Error 4 · Restar incertidumbres porque las magnitudes se restan

La propagación depende de sensibilidades, varianzas y covarianzas.

Error 5 · Restar la incertidumbre del denominador

En el caso no correlacionado su contribución aparece al cuadrado.

Error 6 · Aplicar suma en cuadratura sin estudiar correlaciones

Es una simplificación que requiere covarianzas nulas o despreciables.

Error 7 · Confundir una tolerancia o semiancho con u

Mismas unidades no implican mismo significado metrológico.

Error 8 · Tratar k=2 como sinónimo automático de 95 %

La interpretación de cobertura necesita condiciones y justificación.

Error 9 · Copiar todos los dígitos de la calculadora

La pantalla no determina la información defendible de un resultado.

Error 10 · Aplicar reglas de cifras significativas en lugar de propagación

Son procesos distintos.

Error 11 · Pensar que el modelo es la realidad

Todo modelo tiene supuestos y un dominio de validez.

Error 12 · Escribir ± sin explicar qué representa

En este capítulo ± se reserva para una cantidad explícitamente identificada.

5.173. Lista de control antes de aceptar un resultado

Control Verificación
¿Está claramente definido el mensurando? □ Sí · □ Revisar
¿Las unidades de entrada son coherentes? □ Sí · □ Revisar
¿El modelo representa adecuadamente el problema? □ Sí · □ Revisar
¿Se conservaron cifras de guarda? □ Sí · □ Revisar
¿Cada componente de incertidumbre está correctamente caracterizada? □ Sí · □ Revisar
¿Se distinguieron límites, u y U? □ Sí · □ Revisar
¿Se examinaron correlaciones? □ Sí · □ Revisar
¿La propagación corresponde al modelo? □ Sí · □ Revisar
¿La aproximación lineal es adecuada? □ Sí · □ Revisar
¿La incertidumbre está redondeada coherentemente? □ Sí · □ Revisar
¿Valor e incertidumbre terminan en la misma posición decimal? □ Sí · □ Revisar
Si se utiliza U, ¿se informa k y el contexto necesario? □ Sí · □ Revisar

5.174. Evaluación final del Capítulo 5

FUNDAMENTAL · ●○○○

1. Cifras significativas

Indica cuántas cifras significativas poseen:

  1. 0,00450
  2. 10,05
  3. 7,00 × 10²
  4. 0,000820
FUNDAMENTAL · ●○○○

2. Redondeo

Redondea:

  1. 8,543 a 3 C.S.;
  2. 4,998 a 3 C.S.;
  3. 2,09250 a 4 C.S. utilizando redondeo al par en la mitad exacta.
INTERMEDIO · ●●○○

3. Operaciones

  1. 92,396 g + 2,1 g
  2. 3,45 × 2,1
  3. 19,70 ÷ 4,2

Aplica la regla práctica de presentación apropiada en cada caso.

INTERMEDIO · ●●○○

4. Incertidumbre estándar en una suma

X=8,0;   u(X)=0,2
Y=3,0;   u(Y)=0,1.

Si X e Y no están correlacionadas, calcula uc(X+Y).

AVANZADO · ●●●○

5. Producto

P=VI
V=10,00 V;   u(V)=0,02 V
I=2,000 mA;   u(I)=0,005 mA.

Suponiendo covarianza nula:

  1. calcula P;
  2. calcula uc,r(P);
  3. calcula uc(P);
  4. presenta el resultado.
AVANZADO · ●●●○

6. Potencia

Si:

Y=X−2

y:

ur(X)=0,006,

determina aproximadamente ur(Y).

PROFUNDIZACIÓN · ●●●●

7. Correlación

Para:

Z=X−Y

con:

u(X)=0,30
u(Y)=0,20
r=+0,8,

calcula uc(Z).

PROFUNDIZACIÓN · ●●●●

8. Análisis conceptual

Explica por qué:

8,000±0,023 V

es una expresión incompleta si no se explica qué representa 0,023 V.

5.175. Respuestas orientadoras de la evaluación

1 · Cifras significativas
0,00450 → 3 C.S.
10,05 → 4 C.S.
7,00 × 10² → 3 C.S.
0,000820 → 3 C.S.
2 · Redondeo
8,543 → 8,54
4,998 → 5,00
2,09250 → 2,092
3 · Operaciones
92,396+2,1=94,496 → 94,5 g
3,45×2,1=7,245 → 7,2
19,70÷4,2≈4,690476 → 4,7
4 · Suma
uc = √(0,2²+0,1²) ≈0,224.
5 · Producto
P=10,00 V×2,000 mA=20,00 mW.
ur(V)=0,02/10,00=0,00200.
ur(I)=0,005/2,000=0,00250.
uc,r(P) = √(0,00200²+0,00250²) ≈0,00320.
uc(P) = 20,00×0,00320 mW ≈0,0640 mW.
P=20,000 mW;   uc(P)=0,064 mW.
6 · Potencia
ur(Y) ≈ |−2|×0,006 = 0,012 = 1,2 %.
7 · Correlación
uc²(Z) = 0,30²+0,20²−2×0,8×0,30×0,20.
uc²(Z)=0,034.
uc(Z)≈0,184.
8 · Interpretación

El símbolo ± no identifica por sí mismo si 0,023 V es una incertidumbre estándar, una incertidumbre expandida, una tolerancia, una cota u otro intervalo. La cantidad debe definirse explícitamente.

5.176. Rúbrica de autoevaluación del estudiante

Competencia Lo logro Debo practicar
Identifico correctamente cifras significativas.
Redondeo sin hacerlo prematuramente.
Distingo posición decimal de precisión metrológica.
Escribo un modelo de medición.
Calculo coeficientes de sensibilidad.
Distingo u, u₍c₎, U y una cota.
Reconozco cuándo debo considerar correlaciones.
Selecciono una regla particular solo cuando sus condiciones se cumplen.
Construyo e interpreto un presupuesto de incertidumbre.
Comunico un resultado con unidad e incertidumbre coherentes.
Figura 5.51. Mapa conceptual final del Capítulo 5
RESULTADO EXPERIMENTAL MEDICIÓN datos de entrada MODELO Y=f(X₁,…) INCERTIDUMBRE u(xᵢ) PRESENTACIÓN cifras y unidades PROPAGACIÓN sensibilidad · covarianza · u₍c₎ REDONDEO COHERENTE sin inventar ni ocultar información COMUNICACIÓN CIENTÍFICA valor · unidad · incertidumbre · contexto
Nota. El mapa sintetiza los conceptos centrales de los capítulos de medición e incertidumbre y su integración con cifras significativas y propagación. Elaboración propia.

5.177. Cierre del Capítulo 5

Una calculadora puede producir diez, quince o más dígitos.

Eso no significa que el proceso experimental justifique todos esos dígitos.

más cifras ≠ más información

Las cifras significativas ayudan a comunicar el detalle numérico.

El redondeo evita presentar una resolución numérica injustificada.

El modelo conecta las magnitudes de entrada con el mensurando.

Los coeficientes de sensibilidad muestran cómo responde el resultado.

La propagación determina cómo las incertidumbres de entrada contribuyen a la incertidumbre de salida.

medir

modelar

calcular

evaluar incertidumbre

interpretar

redondear

comunicar

Y la distinción más importante del capítulo queda resumida así:

resultado de calculadora ≠ resultado de medición
cifras significativas ≠ incertidumbre
cota ≠ incertidumbre estándar
u₍c₎ ≠ U
modelo ≠ realidad

Un resultado científicamente bien comunicado no es el que contiene más dígitos, sino el que expresa con coherencia qué valor se obtuvo, en qué unidad, con qué incertidumbre y bajo qué modelo de medición.

Referencias

Bureau International des Poids et Mesures. (2026). The International System of Units (SI) (9th ed., Version 4.01). Bureau International des Poids et Mesures. https://doi.org/10.59161/AUEZ1291

Joint Committee for Guides in Metrology. (2008). Evaluation of measurement data—Guide to the expression of uncertainty in measurement (JCGM 100:2008). Bureau International des Poids et Mesures. https://doi.org/10.59161/JCGM100-2008E

Joint Committee for Guides in Metrology. (2012). International vocabulary of metrology—Basic and general concepts and associated terms (VIM) (3rd ed., JCGM 200:2012). Bureau International des Poids et Mesures. https://doi.org/10.59161/JCGM200-2012

Joint Committee for Guides in Metrology. (2020). Guide to the expression of uncertainty in measurement—Part 6: Developing and using measurement models (JCGM GUM-6:2020). Bureau International des Poids et Mesures. https://doi.org/10.59161/JCGMGUM-6-2020

Joint Committee for Guides in Metrology. (2023). Guide to the expression of uncertainty in measurement—Part 1: Introduction (JCGM GUM-1:2023). Bureau International des Poids et Mesures. https://doi.org/10.59161/JCGMGUM-1-2023

Taylor, B. N., & Kuyatt, C. E. (1994). Guidelines for evaluating and expressing the uncertainty of NIST measurement results (NIST Technical Note 1297). National Institute of Standards and Technology. https://doi.org/10.6028/NIST.TN.1297

CAPÍTULO 5 COMPLETADO

Cifras significativas, redondeo y propagación de incertidumbres

La secuencia editorial queda cerrada en 5.177 · Figura 5.51 · Tabla 5.33 · Demostración 38.

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