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″ + 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
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
Calcula I = ∫01 2x·(x² + 1)3 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)3[0, 1]
I =
4.IntegralesDifícil
Calcula el área A de la región encerrada entre y = x2 e y = 3x.
y = x2y = 3x
A =
5.DerivadasMedia
Sea f(x) = (3x + 5)4. Calcula f′(−1).
f(x) = (3x + 5)4x = −1
f′(−1) =
6.DerivadasDifícil
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
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
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.
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.
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.