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″ + 2y′ + y = 0 con y(0) = 2 e y′(0) = 1. Halla y(1).
y″ + 2y′ + y = 0y(0) = 2y′(0) = 1
y(1) =
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
Resuelve y′ + y = 3e−0,5t con y(0) = 3. Halla y(1,5).
y′ + y = 3e−0,5ty(0) = 3
y(1.5) =
3.IntegralesMedia
Calcula I = ∫02 e0,5x dx.
f(x) = e0,5x[0, 2]
I =
4.IntegralesDifícil
Calcula I = ∫₀0,5 x²·eˣ dx.
∫₀0,5 x²eˣ dx
I =
5.DerivadasMedia
Sea f(x) = x·sin(2x), con x en radianes. Calcula f′(0,5).
f(x) = x·sin(2x)x = 0,5 rad
f′(0.5) =
6.DerivadasDifícil
La recta tangente a f(x) = x2 + 4x + 5 en x = 3 corta el eje y en y = b. Calcula b.
f(x) = x2 + 4x + 5x = 3
b =
7.Métodos numéricosMedia
Aproxima ∫01,5 e−x² dx con la regla del trapecio usando n = 2 franjas. Da T.
f(x) = e−x²[a, b] = [0, 1,5]n = 2
T =
8.Métodos numéricosDifícil
Da un paso del método clásico de Runge–Kutta (RK4) con h = 0,2 para y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 1. Halla y₁ ≈ y(0,2).
y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 1h = 0,2
y1 =
3Disoluciones
1.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(1) = 1,839
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 + 1)² = 0 → r = −1
Constantes
A = y(0) = 2
y′(0) = B − 1A → B = 1 + 2 = 3
Evalúa
y(1) = (2 + 3·1)·e−1 = 1,839
Respuesta
y(1) = 1,839
2.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(1.5) = 2,165
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.
Factor integrante
μ = et
(ety)′ = 3e0,5t
Solución general
y = 3/0,5·e−0,5t + C·e−t = 6·e−0,5t + C·e−t
Condición inicial
3 = 6 + C → C = −3
Evalúa
y(1,5) = 6·0,4724 + (−3)·0,2231 = 2,165
Respuesta
y(1,5) = 2,165
3.Integrales
Respuesta: I = 3,437
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) = e0,5x/0,5
Evaluar en los límites
I = (e1 − 1)/0,5 = (2,718 − 1)/0,5 = 3,437
Respuesta
I = 3,437
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′(0.5) = 1,382
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 y de la cadena
f′(x) = sin(2x) + 2x·cos(2x)
Sustituir
f′(0,5) = 0,8415 + 1·0,5403 = 1,382
Respuesta
f′(0,5) = 1,382
6.Derivadas
Respuesta: b = −4
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) = 26
f′(x) = 2x + 4 → f′(3) = 10
Recta tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 26 − 10·3 = −4
Respuesta
b = −4
7.Métodos numéricos
Respuesta: T = 0,8419
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.
Nodos y valores
h = 0,75
Σ wᵢfᵢ = 1 + 2·0,569783 + 0,105399 = 2,244965
Regla del trapecio
T = (0,75/2)·2,244965 = 0,8419
Respuesta
T = 0,8419
Esta integral no tiene primitiva elemental, que es justo cuando hace falta una regla numérica.
8.Métodos numéricos
Respuesta: y1 = 1,223
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.