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 lata de refresco a 4 °C se saca del frigorífico a una habitación a 26 °C. Al cabo de 18 min su temperatura es 17 °C. Sigue la ley de enfriamiento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). ¿Cuánto tiempo después del inicio, t, tarda en alcanzar 9 °C?
T0 = 4 °CTa = 26 °CT(18) = 17 °CT = 9 °C
t = min
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
Un depósito contiene 1000 L de agua en la que hay disueltos 20 kg de sal. Entra salmuera con 0,25 kg de sal por litro a 2 L/min, y la disolución bien mezclada sale al mismo caudal. ¿Al cabo de cuántos minutos t contiene el depósito 89 kg de sal?
V = 1000 Lm0 = 20 kgc = 0,25 kg/Lr = 2 L/min
t = min
3.IntegralesMedia
Calcula I = ∫01 2x·(x² + 1)1 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)1[0, 1]
I =
4.IntegralesDifícil
La región entre la recta y = 3x y la parábola y = x² gira alrededor del eje x. Halla el volumen V del sólido.
y = 3xy = x²
V =
5.DerivadasMedia
Sea f(x) = x·ex. Calcula f′(1,5).
f(x) = x·exx = 1,5
f′(1.5) =
6.DerivadasDifícil
Sea f(x) = x3 + 1,5x2 − 6x − 1. Calcula la coordenada x x del mínimo local.
f(x) = x3 + 1,5x2 − 6x − 1
x =
7.Métodos numéricosMedia
Aproxima ∫13 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, 3]n = 2
|E| =
8.Métodos numéricosDifícil
Usa el método de Heun (Euler mejorado) con h = 0,25 para y′ = −0,5y, y(0) = 2 para estimar y2 ≈ y(0,5).
y′ = −0,5yy(0) = 2h = 0,25
y2 =
3Disoluciones
1.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: t = 5,192 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(-22/-9)/18 = 0,04966 min⁻¹
Tiempo hasta alcanzar el objetivo
t = ln(-22/(−17))/0,04966 = 5,192 min
Respuesta
t = 5,192 min
2.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: t = 178,3 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) = 250 + (−230)·e−t/500
Despeja t
e−t/500 = (250 − 89)/(250 − 20) = 0,7
t = 500·ln(1,429) = 178,3 min
Respuesta
t = 178,3 min
3.Integrales
Respuesta: I = 1,5
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 = ∫12 u1 du
Integrar y evaluar
I = [u2/2]12 = (4 − 1)/2 = 1,5
Respuesta
I = 1,5
4.Integrales
Respuesta: V = 101,8
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
3x = 1x² → x = 0, x = 3
Método de las arandelas
V = π∫₀3 ((3x)² − (1x²)²) dx
Integrar
V = π(9·3³/3 − 1·3⁵/5) = π·32,4 = 101,8
Respuesta
V = 101,8
5.Derivadas
Respuesta: f′(1.5) = 11,2
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′ = ex·(1 + 1·x)
Sustituir
f′(1,5) = 4,482·(1 + 1,5) = 11,2
Respuesta
f′(1,5) = 11,2
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 − 6 = 3·(x2 + x − 2)
Resolver f′(x) = 0
x = −2 o x = 1
Cuál es cuál
f″(x) = 6x + 3: negativa en un máximo, positiva en un mínimo.
f″(−2) = −9, f″(1) = 9
x = 1
Respuesta
x = 1
7.Métodos numéricos
Respuesta: |E| = 0,06805
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 = 1,098612
Regla del trapecio
T = (1/2)·(1 + 2·0,5 + 0,333333) = 1,166667
Error
|E| = |1,166667 − 1,098612| = 0,06805
Respuesta
|E| = 0,06805
Error relativo: 6,195 %.
8.Métodos numéricos
Respuesta: y2 = 1,559
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.