Ecuaciones diferenciales: pack de repaso

Hojas de fórmulas, los pasos clave de los métodos de cada tema y 8 problemas de práctica, con las soluciones completas al final.

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1Fórmulas y métodos

Ecuaciones diferenciales

Crecimiento/decrecimiento exponencial
dy/dt = ky → y = y0ekt
Periodo de semidesintegración
k = ln 2 / t½
Ley de enfriamiento de Newton
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Factor integrante
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Depósito de mezcla
dm/dt = r·c − (r/V)·m

Integrales

Regla de la potencia
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Integral definida
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Integrales habituales
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Área entre curvas
∫ab (f − g) dx

Método

  1. Reescribe el integrando como suma de términos sencillos siempre que puedas.
  2. Aplica la regla de la potencia: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), y las integrales inmediatas de ex, 1/x, sin y cos.
  3. Usa un cambio de variable cuando veas una función junto con su derivada.
  4. En una integral definida, calcula F(b) − F(a).

Derivadas

Regla de la potencia
(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
Regla del producto
(uv)′ = u′v + uv′
Regla del cociente
(u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
Regla de la cadena
f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
Derivadas habituales
(eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

Método

  1. Identifica la estructura: suma, producto, cociente o composición.
  2. Aplica la regla de la potencia a cada potencia de x.
  3. Usa la regla del producto, del cociente o de la cadena donde haga falta.
  4. Simplifica y, si se pide, evalúa en el punto.

Métodos numéricos

Bisección
c = (a + b)/2, width after n steps (b − a)/2ⁿ
Newton–Raphson
xn+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
Interpolación lineal
y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
Regla del trapecio
T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2fn−1 + fₙ], h = (b − a)/n
Regla de Simpson (n par)
S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4fn−1 + fₙ]
Cota del error del trapecio
|E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
Euler
yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
Heun
yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + hk₁)
RK4
yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)

Método

  1. 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.
  2. Para un valor de una tabla: interpola linealmente entre los dos puntos vecinos.
  3. 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.
  4. 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
tyy(0) = 2y(2) = ?

Resuelve y″ + 8y′ + 16y = 0 con y(0) = 2 e y′(0) = -1. Halla y(2).

y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 2y′(0) = -1
y(2) =
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
tyK = 5y(0,75) = ?

Un sistema obedece y″ + 3y′ + 27,25y = 136,3 para t ≥ 0, partiendo del reposo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Halla y(0,75); ángulos en radianes.

y″ + 3y′ + 27,25y = 136,3y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.75) =
3.IntegralesMedia
xy01

Calcula I = ∫01 2x·(x² + 1)3 dx.

f(x) = 2x·(x² + 1)3[0, 1]
I =
4.IntegralesDifícil
xyy = x2​y = 3x

Calcula el área A de la región encerrada entre y = x2 e y = 3x.

y = x2y = 3x
A =
5.DerivadasMedia
xyx = −1

Sea f(x) = (3x + 5)4. Calcula f′(−1).

f(x) = (3x + 5)4x = −1
f′(−1) =
6.DerivadasDifícil
xyx = 1

La recta tangente a f(x) = x2 − x + 3 en x = 1 corta el eje y en y = b. Calcula b.

f(x) = x2 − x + 3x = 1
b =
7.Métodos numéricosMedia
xy012

Aproxima ∫02 1/(1 + x³) dx con la regla de Simpson usando n = 2 franjas. Da S.

f(x) = 1/(1 + x³)[a, b] = [0, 2]n = 2
S =
8.Métodos numéricosDifícil
00,511,5−10ty(0, −1)

Usa el método de Euler con h = 0,5 para y′ = cos t − y, y(0) = −1 para estimar y3 ≈ y(1,5).

y′ = cos t − yy(0) = −1h = 0,5
y3 =

3Disoluciones

1.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(2) = 0,005367

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 + 4)² = 0 → r = −4

Constantes

A = y(0) = 2
y′(0) = B − 4A → B = -1 + 8 = 7

Evalúa

y(2) = (2 + 7·2)·e−8 = 0,005367

Respuesta

y(2) = 0,005367
2.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(0.75) = 6,61

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 = 5, r = −1,5 ± 5j

Constantes a partir de los valores iniciales

y(0) = 5 + A = 0 → A = −5
y′(0) = −1,5A + 5B = 0 → B = −1,5

Evalúa

y(0,75) = 5·(1 − e−1,125(cos 3,75 + 0,3·sin 3,75)) = 6,61

Respuesta

y(0,75) = 6,61
3.Integrales

Respuesta: I = 3,75

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 u3 du

Integrar y evaluar

I = [u4/4]12 = (16 − 1)/4 = 3,75

Respuesta

I = 3,75
4.Integrales

Respuesta: A = 4,5

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.

Puntos de corte

x2 = 3x → x = 0, x = 3

Integrar superior menos inferior

A = [1,5x2 − 0,3333x3]03 = 4,5

Respuesta

A = 4,5
5.Derivadas

Respuesta: f′(−1) = 96

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) = 4·(3x + 5)3·3

Sustituir

f′(−1) = 4·23·3 = 96

Respuesta

f′(−1) = 96
6.Derivadas

Respuesta: b = 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.

Punto y pendiente

f(1) = 3
f′(x) = 2x − 1 → f′(1) = 1

Recta tangente en x = 0

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 3 − 1·1 = 2

Respuesta

b = 2
7.Métodos numéricos

Respuesta: S = 1,037

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.

ixᵢf(xᵢ)peso0011110,54220,1111111

Nodos y valores

h = 1
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0,5 + 0,111111 = 3,111111

Regla de Simpson

S = (1/3)·3,111111 = 1,037

Respuesta

S = 1,037

Esta integral no tiene primitiva elemental, que es justo cuando hace falta una regla numérica.

8.Métodos numéricos

Respuesta: y3 = 0,4895

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.

ntₙyₙf(tₙ, yₙ)yₙ₊₁00−12010,500,8775830,438791210,4387910,1015110,489547

Pasos de Euler

y₁ = −1 + 0,5·(2) = 0
y₂ = 0 + 0,5·(0,877583) = 0,438791
y₃ = 0,438791 + 0,5·(0,101511) = 0,489547
00,511,5−10ty

Gráfico

y3 = 0,4895

Respuesta

y3 = 0,4895

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