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′ + 3y = 0 con y(0) = 4 e y′(0) = 4. Halla y(1,5).
y″ + 4y′ + 3y = 0y(0) = 4y′(0) = 4
y(1.5) =
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
Un depósito contiene 200 L de agua pura. Entra salmuera con 0,25 kg de sal por litro a 5 L/min, y la disolución bien mezclada sale al mismo caudal. ¿Al cabo de cuántos minutos t contiene el depósito 35 kg de sal?
V = 200 Lm0 = 0 kgc = 0,25 kg/Lr = 5 L/min
t = min
3.IntegralesMedia
Calcula I = ∫₀1 x·sin x dx (x en radianes).
∫₀1 x·sin x dx
I =
4.IntegralesDifícil
Calcula I = ∫₀2,5 x²·eˣ dx.
∫₀2,5 x²eˣ dx
I =
5.DerivadasMedia
Sea f(x) = (2x − 3)4. Calcula f′(0).
f(x) = (2x − 3)4x = 0
f′(0) =
6.DerivadasDifícil
La recta tangente a f(x) = x2 − 4x + 1 en x = 2 corta el eje y en y = b. Calcula b.
f(x) = x2 − 4x + 1x = 2
b =
7.Métodos numéricosMedia
Aproxima ∫12 1/x dx con la regla del trapecio, n = 2, y compárala con el valor exacto. Halla el error absoluto |E| = |T − I|.
f(x) = 1/x[a, b] = [1, 2]n = 2
|E| =
8.Métodos numéricosDifícil
Usa el método de Euler con h = 0,2 para y′ = t − y, y(0) = −1 para estimar y4 ≈ y(0,8).
y′ = t − yy(0) = −1h = 0,2
y4 =
3Disoluciones
1.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(1.5) = 1,741
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.
Raíces características
(r + 1)(r + 3) = 0 → r = −1, −3
Constantes a partir de los valores iniciales
A + B = 4, −1A − 3B = 4
A = 8, B = −4
Evalúa
y(1,5) = 8·e−1,5 + (−4)·e−4,5 = 1,741
Respuesta
y(1,5) = 1,741
2.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: t = 48,16 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.
Resultado
m(t) = 50 + (−50)·e−t/40
Despeja t
e−t/40 = (50 − 35)/(50 − 0) = 0,3
t = 40·ln(3,333) = 48,16 min
Respuesta
t = 48,16 min
3.Integrales
Respuesta: I = 0,3012
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 = x, du = dx; dv = sin x dx, v = −cos x
Primitiva
∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x
Límites
(−1·cos 1 + sin 1) − (0 + 0) = 0,3012
Respuesta
I = 0,3012
4.Integrales
Respuesta: I = 37,59
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.
Primera vuelta
∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx
Segunda vuelta
∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)
Límites
12,18·(3,25) − 1·2 = 37,59
Respuesta
I = 37,59
5.Derivadas
Respuesta: f′(0) = −216
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) = 4·(2x − 3)3·2
Sustituir
f′(0) = 4·(−3)3·2 = −216
Respuesta
f′(0) = −216
6.Derivadas
Respuesta: b = −3
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(2) = −3
f′(x) = 2x − 4 → f′(2) = 0
Recta tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −3 − 0·2 = −3
Respuesta
b = −3
7.Métodos numéricos
Respuesta: |E| = 0,01519
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 = 0,693147
Regla del trapecio
T = (0,5/2)·(1 + 2·0,666667 + 0,5) = 0,708333
Error
|E| = |0,708333 − 0,693147| = 0,01519
Respuesta
|E| = 0,01519
Error relativo: 2,191 %.
8.Métodos numéricos
Respuesta: y4 = −0,2
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.