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″ + 5y′ + 4y = 0 con y(0) = 5 e y′(0) = -2. Halla y(2).
y″ + 5y′ + 4y = 0y(0) = 5y′(0) = -2
y(2) =
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
Un depósito contiene 200 L de agua en la que hay disueltos 20 kg de sal. Entra salmuera con 0,25 kg de sal por litro a 4 L/min, y la disolución bien mezclada sale al mismo caudal. ¿Cuánta sal m hay en el depósito al cabo de 65 min?
V = 200 Lm0 = 20 kgc = 0,25 kg/Lr = 4 L/min
m = kg
3.IntegralesMedia
Calcula I = ∫210 1/x dx.
f(x) = 1/x[2, 10]
I =
4.IntegralesDifícil
Calcula I = ∫₀0,5 x²·eˣ dx.
∫₀0,5 x²eˣ dx
I =
5.DerivadasMedia
Sea f(x) = x3·e−0,5x. Calcula f′(1,5).
f(x) = x3·e−0,5xx = 1,5
f′(1.5) =
6.DerivadasDifícil
La recta tangente a f(x) = −x2 + 4x − 5 en x = −2 corta el eje y en y = b. Calcula b.
f(x) = −x2 + 4x − 5x = −2
b =
7.Métodos numéricosMedia
Aproxima ∫01 eˣ dx con la regla del trapecio, n = 2, y compárala con el valor exacto. Halla el error absoluto |E| = |T − I|.
f(x) = eˣ[a, b] = [0, 1]n = 2
|E| =
8.Métodos numéricosDifícil
Resuelve y′ = t − y, y(0) = 3 con el método de Euler y paso h = 0,2 hasta t = 0,6. La solución exacta es y = t − 1 + (y₀ + 1)e−t. Halla el error global |E| = |y(0,6) − y3|.
y′ = t − yy(0) = 3h = 0,2
|E| =
3Disoluciones
1.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(2) = 0,8117
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 + 4) = 0 → r = −1, −4
Constantes a partir de los valores iniciales
A + B = 5, −1A − 4B = -2
A = 6, B = −1
Evalúa
y(2) = 6·e−2 + (−1)·e−8 = 0,8117
Respuesta
y(2) = 0,8117
2.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: m = 41,82 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 = 4·0,25 − (4/200)·m = 1 − 0,02·m
Resuelve
El factor integrante es ert/V; la solución tiende al equilibrio c·V.
m(t) = 50 + (−30)·e−t/50
Sustituye t
m(65) = 50 + (−30)·0,2725 = 41,82 kg
Respuesta
m = 41,82 kg
3.Integrales
Respuesta: I = 1,609
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.
Primitiva
F(x) = ln x
Evaluar en los límites
I = (ln 10 − ln 2) = ln 5 = 1,609
Respuesta
I = 1,609
4.Integrales
Respuesta: I = 0,0609
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
1,649·(1,25) − 1·2 = 0,0609
Respuesta
I = 0,0609
5.Derivadas
Respuesta: f′(1.5) = 2,391
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 del producto
f′(x) = u′v + uv′ = e−0,5x·(3x2 + (−0,5)·x3)
Sustituir
f′(1,5) = 0,4724·(6,75 + (−1,688)) = 2,391
Respuesta
f′(1,5) = 2,391
6.Derivadas
Respuesta: b = −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.
Punto y pendiente
f(−2) = −17
f′(x) = −2x + 4 → f′(−2) = 8
Recta tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −17 − 8·(−2) = −1
Respuesta
b = −1
7.Métodos numéricos
Respuesta: |E| = 0,03565
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 del trapecio
T = (0,5/2)·(1 + 2·1,648721 + 2,718282) = 1,753931
Error
|E| = |1,753931 − 1,718282| = 0,03565
Respuesta
|E| = 0,03565
Error relativo: 2,075 %.
8.Métodos numéricos
Respuesta: |E| = 0,1472
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 = 1,648
Valor exacto
y(0,6) = 1,795247
Error global
|E| = |1,795247 − 1,648| = 0,1472
Gráfico
Respuesta
|E| = 0,1472
Reducir h a la mitad reduce aproximadamente a la mitad el error del método de Euler.