Para una raíz: comprueba el cambio de signo en la bisección, o calcula f y f′ en Newton, y conserva seis o más cifras en una tabla de iteraciones.
Para un valor de una tabla: interpola linealmente entre los dos puntos vecinos.
Para una integral: halla h = (b − a)/n, lista f en cada nodo, aplica los pesos (1, 2, …, 2, 1 para el trapecio; 1, 4, 2, …, 4, 1 para Simpson con n par) y multiplica por h/2 o h/3.
Para una EDO: avanza desde t₀ con yₙ₊₁ = yₙ + h·f(tₙ, yₙ) (Euler) o con la pendiente promediada (Heun), una fila por paso, hasta llegar al t pedido.
2Problemas de práctica
1.Ecuaciones diferencialesMedia
Una taza de café a 86 °C se deja en una habitación a 20 °C. Al cabo de 26 min su temperatura es 50 °C. Sigue la ley de enfriamiento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). ¿Cuánto tiempo después del inicio, t, tarda en alcanzar 38 °C?
T0 = 86 °CTa = 20 °CT(26) = 50 °CT = 38 °C
t = min
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
Un sistema obedece y″ + y′ + 25,25y = 25,25 para t ≥ 0, partiendo del reposo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Halla el valor máximo ymax de su respuesta al escalón.
y″ + y′ + 25,25y = 25,25y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntegralesMedia
Calcula I = ∫₁6 x·ln x dx.
∫₁6 x ln x dx
I =
4.IntegralesDifícil
Calcula el área A de la región entre la parábola y = 9 − x² y el eje x.
y = 9 − x²
A =
5.DerivadasMedia
Sea f(x) = (−2x + 3)5. Calcula f′(1).
f(x) = (−2x + 3)5x = 1
f′(1) =
6.DerivadasDifícil
Sea f(x) = x3 − 12x2 + 45x − 3. Calcula la coordenada x x del mínimo local.
f(x) = x3 − 12x2 + 45x − 3
x =
7.Métodos numéricosMedia
Aproxima ∫01 1/(1 + x³) dx con la regla de Simpson usando n = 6 franjas. Da S.
f(x) = 1/(1 + x³)[a, b] = [0, 1]n = 6
S =
8.Métodos numéricosDifícil
Resuelve y′ = y(2 − y), y(0) = 1 con el método de Euler y paso h = 0,25 hasta t = 1,25. La solución exacta es y = 2y₀/(y₀ + (2 − y₀)e−2t). Halla el error global |E| = |y(1,25) − y5|.
y′ = y(2 − y)y(0) = 1h = 0,25
|E| =
3Disoluciones
1.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: t = 42,84 min
Ecuaciones diferenciales de primer orden: dy/dt = k·y tiene la solución y = y₀·ekt (crecimiento para k > 0, decrecimiento para k < 0); un periodo de semidesintegración T da k = ln 2/T. La ley de enfriamiento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ), da T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Una ecuación lineal y′ + p(x)·y = q(x) se resuelve con el factor integrante μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, así que μy = ∫μq dx + C.
Constante de enfriamiento
k = ln(66/30)/26 = 0,03033 min⁻¹
Tiempo hasta alcanzar el objetivo
t = ln(66/18)/0,03033 = 42,84 min
Respuesta
t = 42,84 min
2.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: ymax = 1,73
Ecuaciones lineales de segundo orden: para y″ + b·y′ + c·y = 0 prueba y = ert: esto da la ecuación característica r² + b·r + c = 0. Dos raíces reales r₁ ≠ r₂ dan y = A·er₁t + B·er₂t (sobreamortiguado); una raíz doble r da y = (A + Bt)·ert (amortiguamiento crítico); las raíces complejas −α ± jω dan y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (subamortiguado, oscilante). Los valores iniciales y(0) e y′(0) fijan A y B. Escrita como y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0, ωn es la frecuencia natural y ζ el factor de amortiguamiento: con ζ < 1 hay oscilación. Con una entrada constante, y″ + by′ + cy = c·K, la solución es el valor estacionario K más la respuesta libre.
Valor estacionario y raíces
yss = 1, r = −0,5 ± 5j
Constantes a partir de los valores iniciales
y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −0,5A + 5B = 0 → B = −0,1
Pico
t = π/5 = 0,6283
ymax = 1·(1 + e−0,5·π/5) = 1,73
Respuesta
ymax = 1,73
3.Integrales
Respuesta: I = 23,5
Integración por partes: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, a partir de la regla del producto. Elige como u el factor que se simplifica al derivarlo (una potencia de x, o ln x), y como dv el factor que sabes integrar (eˣ, sin x, cos x, o x cuando u = ln x). En una integral definida, evalúa u·v en ambos límites: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Un factor x² necesita dos vueltas.
Elige u y dv
u = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2
Primitiva
∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4
Límites
(18·ln 6 − 9) − (0 − 0,25) = 23,5
Respuesta
I = 23,5
4.Integrales
Respuesta: A = 36
Integrales definidas: ∫ₐᵇ f(x) dx es el área con signo entre la gráfica y el eje x de a a b. Busca una primitiva F (con F′ = f) y calcula F(b) − F(a). Regla de la potencia: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). El área entre dos curvas es ∫(superior − inferior) dx.
Ceros
9 − x² = 0 → x = ±3
Integrar
A = [9x − x³/3]−33 = 18 − (−18) = 36
Respuesta
A = 36
5.Derivadas
Respuesta: f′(1) = −10
Derivación: la derivada f′(x) es la pendiente de la gráfica en x. Regla de la potencia: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Regla del producto: (uv)′ = u′v + uv′. Regla de la cadena: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Donde f′(x) = 0 la gráfica tiene tangente horizontal: un máximo, un mínimo o un punto de silla.
Regla de la cadena
f′(x) = 5·(−2x + 3)4·(−2)
Sustituir
f′(1) = 5·14·(−2) = −10
Respuesta
f′(1) = −10
6.Derivadas
Respuesta: x = 5
Derivación: la derivada f′(x) es la pendiente de la gráfica en x. Regla de la potencia: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Regla del producto: (uv)′ = u′v + uv′. Regla de la cadena: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Donde f′(x) = 0 la gráfica tiene tangente horizontal: un máximo, un mínimo o un punto de silla.
Derivada
f′(x) = 3x2 − 24x + 45 = 3·(x2 − 8x + 15)
Resolver f′(x) = 0
x = 3 o x = 5
Cuál es cuál
f″(x) = 6x − 24: negativa en un máximo, positiva en un mínimo.
f″(3) = −6, f″(5) = 6
x = 5
Respuesta
x = 5
7.Métodos numéricos
Respuesta: S = 0,8357
Integración numérica: divide [a, b] en n franjas de anchura h = (b − a)/n con nodos x₀ … xₙ. Regla del trapecio: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2fn−1 + fₙ]. Regla de Simpson (n par): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4fn−1 + fₙ]. El error del trapecio disminuye como h² (cota (b − a)h²·M/12 con M = max|f″|) y el de Simpson como h⁴, así que Simpson suele ser mucho más preciso con los mismos nodos.
Esta integral no tiene primitiva elemental, que es justo cuando hace falta una regla numérica.
8.Métodos numéricos
Respuesta: |E| = 0,04863
Solución numérica de y′ = f(t, y): el método de Euler avanza según la pendiente al inicio de cada paso: yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ). El método de Heun (Euler mejorado) promedia la pendiente al inicio y en una predicción de Euler: k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂). El método clásico de Runge–Kutta (RK4) combina cuatro pendientes: yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄). El error global de Euler es proporcional a h, el de Heun a h² y el de RK4 a h⁴.
Pasos de Euler
y5 = 1,896909
Valor exacto
y(1,25) = 1,848284
Error global
|E| = |1,848284 − 1,896909| = 0,04863
Gráfico
Respuesta
|E| = 0,04863
Reducir h a la mitad reduce aproximadamente a la mitad el error del método de Euler.