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 22 °C. Sigue la ley de enfriamiento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Con k = 0,08 min⁻¹, halla su temperatura T al cabo de 12 min.
T0 = 4 °CTa = 22 °Ck = 0,08 min⁻¹t = 12 min
T = °C
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
Un sistema obedece y″ + 4y′ + 8y = 80 para t ≥ 0, partiendo del reposo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Halla el valor máximo ymax de su respuesta al escalón.
y″ + 4y′ + 8y = 80y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntegralesMedia
Calcula I = ∫₀2 x·sin x dx (x en radianes).
∫₀2 x·sin x dx
I =
4.IntegralesDifícil
Calcula el área A de la región entre la parábola y = 1 − x² y el eje x.
y = 1 − x²
A =
5.DerivadasMedia
Sea f(x) = (4x + 3)5. Calcula f′(0).
f(x) = (4x + 3)5x = 0
f′(0) =
6.DerivadasDifícil
La recta tangente a f(x) = x2 − 2x − 2 en x = −1 corta el eje y en y = b. Calcula b.
f(x) = x2 − 2x − 2x = −1
b =
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 Euler con h = 0,5 para y′ = y − t², y(0) = 1 para estimar y3 ≈ y(1,5).
y′ = y − t²y(0) = 1h = 0,5
y3 =
3Disoluciones
1.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: T = 15,11 °C
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.
Solución de la ley de enfriamiento
T(t) = 22 + (−18)·e−0,08t
Sustituye t
T(12) = 22 + (−18)·0,3829 = 15,11 °C
Respuesta
T = 15,11 °C
2.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: ymax = 10,43
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.
Valor estacionario y raíces
yss = 10, r = −2 ± 2j
Constantes a partir de los valores iniciales
y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −2A + 2B = 0 → B = −10
Pico
t = π/2 = 1,571
ymax = 10·(1 + e−2·π/2) = 10,43
Respuesta
ymax = 10,43
3.Integrales
Respuesta: I = 1,742
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
(−2·cos 2 + sin 2) − (0 + 0) = 1,742
Respuesta
I = 1,742
4.Integrales
Respuesta: A = 1,333
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.
Ceros
1 − x² = 0 → x = ±1
Integrar
A = [1x − x³/3]−11 = 0,6667 − (−0,6667) = 1,333
Respuesta
A = 1,333
5.Derivadas
Respuesta: f′(0) = 1620
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·(4x + 3)4·4
Sustituir
f′(0) = 5·34·4 = 1620
Respuesta
f′(0) = 1620
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(−1) = 1
f′(x) = 2x − 2 → f′(−1) = −4
Recta tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 1 − (−4)·(−1) = −3
Respuesta
b = −3
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: y3 = 2,688
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.