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 pieza de acero forjado a 400 °C se deja enfriar en un taller a 23 °C. Sigue la ley de enfriamiento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Con k = 0,03 min⁻¹, halla su temperatura T al cabo de 23 min.
T0 = 400 °CTa = 23 °Ck = 0,03 min⁻¹t = 23 min
T = °C
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
Un sistema obedece y″ + 4y′ + 20y = 40 para t ≥ 0, partiendo del reposo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Halla y(0,5); ángulos en radianes.
y″ + 4y′ + 20y = 40y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.5) =
3.IntegralesMedia
Calcula I = ∫₁4 x·ln x dx.
∫₁4 x ln x dx
I =
4.IntegralesDifícil
Calcula I = ∫₀1,5 x²·eˣ dx.
∫₀1,5 x²eˣ dx
I =
5.DerivadasMedia
Sea f(x) = x·e−x. Calcula f′(1,5).
f(x) = x·e−xx = 1,5
f′(1.5) =
6.DerivadasDifícil
La recta tangente a f(x) = −x2 + x − 4 en x = −1 corta el eje y en y = b. Calcula b.
f(x) = −x2 + x − 4x = −1
b =
7.Métodos numéricosMedia
Aproxima ∫02 √x·e−x dx con la regla de Simpson usando n = 2 franjas. Da S.
f(x) = √x·e−x[a, b] = [0, 2]n = 2
S =
8.Métodos numéricosDifícil
Resuelve y′ = t + y, y(0) = 1 con el método de Euler y paso h = 0,2 hasta t = 0,8. La solución exacta es y = −t − 1 + (y₀ + 1)eᵗ. Halla el error global |E| = |y(0,8) − y4|.
y′ = t + yy(0) = 1h = 0,2
|E| =
3Disoluciones
1.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: T = 212,1 °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) = 23 + 377·e−0,03t
Sustituye t
T(23) = 23 + 377·0,5016 = 212,1 °C
Respuesta
T = 212,1 °C
2.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(0.5) = 1,972
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 = 2, r = −2 ± 4j
Constantes a partir de los valores iniciales
y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −2A + 4B = 0 → B = −1
Evalúa
y(0,5) = 2·(1 − e−1(cos 2 + 0,5·sin 2)) = 1,972
Respuesta
y(0,5) = 1,972
3.Integrales
Respuesta: I = 7,34
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 = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2
Primitiva
∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4
Límites
(8·ln 4 − 4) − (0 − 0,25) = 7,34
Respuesta
I = 7,34
4.Integrales
Respuesta: I = 3,602
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
4,482·(1,25) − 1·2 = 3,602
Respuesta
I = 3,602
5.Derivadas
Respuesta: f′(1.5) = −0,1116
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−x·(1 + (−1)·x)
Sustituir
f′(1,5) = 0,2231·(1 + (−1,5)) = −0,1116
Respuesta
f′(1,5) = −0,1116
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) = −6
f′(x) = −2x + 1 → f′(−1) = 3
Recta tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −6 − 3·(−1) = −3
Respuesta
b = −3
7.Métodos numéricos
Respuesta: S = 0,5543
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 = 1
Σ wᵢfᵢ = 0 + 4·0,367879 + 0,191393 = 1,662911
Regla de Simpson
S = (1/3)·1,662911 = 0,5543
Respuesta
S = 0,5543
Esta integral no tiene primitiva elemental, que es justo cuando hace falta una regla numérica.
8.Métodos numéricos
Respuesta: |E| = 0,3039
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
y4 = 2,3472
Valor exacto
y(0,8) = 2,651082
Error global
|E| = |2,651082 − 2,3472| = 0,3039
Gráfico
Respuesta
|E| = 0,3039
Reducir h a la mitad reduce aproximadamente a la mitad el error del método de Euler.