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
Resuelve y″ + 4y′ + 4y = 0 con y(0) = 2 e y′(0) = 0. Halla y(1,5).
y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(1.5) =
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
Resuelve y″ + y′ + 4,25y = 0 con y(0) = 10 e y′(0) = 0 (soltado desde el reposo). Halla y(0,25); ángulos en radianes.
y″ + y′ + 4,25y = 0y(0) = 10y′(0) = 0
y(0.25) =
3.IntegralesMedia
Calcula I = ∫₁2,5 x·ln x dx.
∫₁2,5 x ln x dx
I =
4.IntegralesDifícil
La región entre la recta y = 4x y la parábola y = x² gira alrededor del eje x. Halla el volumen V del sólido.
y = 4xy = x²
V =
5.DerivadasMedia
Sea f(x) = ln(x2 + 2). Calcula f′(−2).
f(x) = ln(x2 + 2)x = −2
f′(−2) =
6.DerivadasDifícil
La recta tangente a f(x) = x2 − 5x − 6 en x = 3 corta el eje y en y = b. Calcula b.
f(x) = x2 − 5x − 6x = 3
b =
7.Métodos numéricosMedia
Aproxima ∫01 eˣ dx con la regla de Simpson, n = 2, y compárala con el valor exacto. Halla el error absoluto |E| = |S − I|.
f(x) = eˣ[a, b] = [0, 1]n = 2
|E| =
8.Métodos numéricosDifícil
Da un paso del método clásico de Runge–Kutta (RK4) con h = 0,5 para y′ = e−ty, y(0) = 0,5. Halla y₁ ≈ y(0,5).
y′ = e−tyy(0) = 0,5h = 0,5
y1 =
3Disoluciones
1.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(1.5) = 0,3983
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.
Raíz doble
(r + 2)² = 0 → r = −2
Constantes
A = y(0) = 2
y′(0) = B − 2A → B = 0 + 4 = 4
Evalúa
y(1,5) = (2 + 4·1,5)·e−3 = 0,3983
Respuesta
y(1,5) = 0,3983
2.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(0.25) = 8,802
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.
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
(3,125·ln 2,5 − 1,5625) − (0 − 0,25) = 1,551
Respuesta
I = 1,551
4.Integrales
Respuesta: V = 428,9
Volúmenes de revolución: al girar alrededor del eje x la región bajo y = f(x) desde x = a hasta x = b se obtiene un sólido cuya sección transversal en x es un disco de radio f(x). Sumando los discos se obtiene V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Cuando la región está entre una curva exterior R(x) y una curva interior r(x), cada rebanada es una arandela: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Eleva los radios al cuadrado antes de restarlos.
Puntos de corte
4x = 1x² → x = 0, x = 4
Método de las arandelas
V = π∫₀4 ((4x)² − (1x²)²) dx
Integrar
V = π(16·4³/3 − 1·4⁵/5) = π·136,5 = 428,9
Respuesta
V = 428,9
5.Derivadas
Respuesta: f′(−2) = −0,6667
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 para el logaritmo
f′(x) = 2x/(x2 + 2)
Sustituir
f′(−2) = −4/6 = −0,6667
Respuesta
f′(−2) = −0,6667
6.Derivadas
Respuesta: b = −15
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.
Punto y pendiente
f(3) = −12
f′(x) = 2x − 5 → f′(3) = 1
Recta tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −12 − 1·3 = −15
Respuesta
b = −15
7.Métodos numéricos
Respuesta: |E| = 0,0005793
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.
Valor exacto
I = 1,718282
Regla de Simpson
S = (0,5/3)·(1 + 4·1,648721 + 2,718282) = 1,718861
Error
|E| = |1,718861 − 1,718282| = 0,0005793
Respuesta
|E| = 0,0005793
Error relativo: 0,03372 %.
8.Métodos numéricos
Respuesta: y1 = 0,9138
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.