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″ + 6y′ + 9y = 0 con y(0) = 3 e y′(0) = -1. Halla y(2).
y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 3y′(0) = -1
y(2) =
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
Un depósito contiene 400 L de agua en la que hay disueltos 5 kg de sal. Entra salmuera con 0,2 kg de sal por litro a 2 L/min, y la disolución bien mezclada sale al mismo caudal. ¿Cuánta sal m hay en el depósito al cabo de 5 min?
V = 400 Lm0 = 5 kgc = 0,2 kg/Lr = 2 L/min
m = kg
3.IntegralesMedia
Calcula I = ∫02 2x·(x² + 1)3 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)3[0, 2]
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) = (3x + 5)5. Calcula f′(0).
f(x) = (3x + 5)5x = 0
f′(0) =
6.DerivadasDifícil
Sea f(x) = x3 − 1,5x2 − 3. Calcula la coordenada x x del mínimo local.
f(x) = x3 − 1,5x2 − 3
x =
7.Métodos numéricosMedia
Aproxima ∫02 x³ dx con la regla del trapecio, n = 4, y compárala con el valor exacto. Halla el error absoluto |E| = |T − I|.
f(x) = x³[a, b] = [0, 2]n = 4
|E| =
8.Métodos numéricosDifícil
Resuelve y′ = −0,5y, y(0) = 2 con el método de Euler y paso h = 0,1 hasta t = 0,3. La solución exacta es y = y₀e−0,5t. Halla el error global |E| = |y(0,3) − y3|.
y′ = −0,5yy(0) = 2h = 0,1
|E| =
3Disoluciones
1.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(2) = 0,0471
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 + 3)² = 0 → r = −3
Constantes
A = y(0) = 3
y′(0) = B − 3A → B = -1 + 9 = 8
Evalúa
y(2) = (3 + 8·2)·e−6 = 0,0471
Respuesta
y(2) = 0,0471
2.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: m = 6,852 kg
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.
Plantea la ecuación
dm/dt = 2·0,2 − (2/400)·m = 0,4 − 0,005·m
Resuelve
El factor integrante es ert/V; la solución tiende al equilibrio c·V.
m(t) = 80 + (−75)·e−t/200
Sustituye t
m(5) = 80 + (−75)·0,9753 = 6,852 kg
Respuesta
m = 6,852 kg
3.Integrales
Respuesta: I = 156
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.
Sustitución
u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫15 u3 du
Integrar y evaluar
I = [u4/4]15 = (625 − 1)/4 = 156
Respuesta
I = 156
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′(0) = 9375
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·(3x + 5)4·3
Sustituir
f′(0) = 5·54·3 = 9375
Respuesta
f′(0) = 9375
6.Derivadas
Respuesta: x = 1
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 − 3x = 3·(x2 − x)
Resolver f′(x) = 0
x = 0 o x = 1
Cuál es cuál
f″(x) = 6x − 3: negativa en un máximo, positiva en un mínimo.
f″(0) = −3, f″(1) = 3
x = 1
Respuesta
x = 1
7.Métodos numéricos
Respuesta: |E| = 0,25
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.
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
y3 = 1,71475
Valor exacto
y(0,3) = 1,721416
Error global
|E| = |1,721416 − 1,71475| = 0,006666
Gráfico
Respuesta
|E| = 0,006666
Reducir h a la mitad reduce aproximadamente a la mitad el error del método de Euler.