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 340 °C se deja enfriar en un taller a 24 °C. Sigue la ley de enfriamiento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Con k = 0,01 min⁻¹, halla su temperatura T al cabo de 53 min.
T0 = 340 °CTa = 24 °Ck = 0,01 min⁻¹t = 53 min
T = °C
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
Un sistema obedece y″ + y′ + 25,25y = 126,3 para t ≥ 0, partiendo del reposo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Halla y(1); ángulos en radianes.
y″ + y′ + 25,25y = 126,3y(0) = 0y′(0) = 0
y(1) =
3.IntegralesMedia
Calcula I = ∫12 2/x dx.
f(x) = 2/x[1, 2]
I =
4.IntegralesDifícil
Calcula el área A de la región entre la parábola y = 4 − x² y el eje x.
y = 4 − x²
A =
5.DerivadasMedia
Sea f(x) = ln(3x2 + 4). Calcula f′(1).
f(x) = ln(3x2 + 4)x = 1
f′(1) =
6.DerivadasDifícil
La recta tangente a f(x) = 0,5x2 + 5x + 1 en x = −1 corta el eje y en y = b. Calcula b.
f(x) = 0,5x2 + 5x + 1x = −1
b =
7.Métodos numéricosMedia
Aproxima ∫02 √x·e−x dx con la regla de Simpson usando n = 4 franjas. Da S.
f(x) = √x·e−x[a, b] = [0, 2]n = 4
S =
8.Métodos numéricosDifícil
Usa el método de Heun (Euler mejorado) con h = 0,25 para y′ = y(2 − y), y(0) = 0,5 para estimar y3 ≈ y(0,75).
y′ = y(2 − y)y(0) = 0,5h = 0,25
y3 =
3Disoluciones
1.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: T = 210 °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) = 24 + 316·e−0,01t
Sustituye t
T(53) = 24 + 316·0,5886 = 210 °C
Respuesta
T = 210 °C
2.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(1) = 4,431
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 = −0,5 ± 5j
Constantes a partir de los valores iniciales
y(0) = 5 + A = 0 → A = −5
y′(0) = −0,5A + 5B = 0 → B = −0,5
Evalúa
y(1) = 5·(1 − e−0,5(cos 5 + 0,1·sin 5)) = 4,431
Respuesta
y(1) = 4,431
3.Integrales
Respuesta: I = 1,386
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) = 2·ln x
Evaluar en los límites
I = 2·(ln 2 − ln 1) = 2·ln 2 = 1,386
Respuesta
I = 1,386
4.Integrales
Respuesta: A = 10,67
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
4 − x² = 0 → x = ±2
Integrar
A = [4x − x³/3]−22 = 5,333 − (−5,333) = 10,67
Respuesta
A = 10,67
5.Derivadas
Respuesta: f′(1) = 0,8571
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 para el logaritmo
f′(x) = 6x/(3x2 + 4)
Sustituir
f′(1) = 6/7 = 0,8571
Respuesta
f′(1) = 0,8571
6.Derivadas
Respuesta: b = 0,5
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) = −3,5
f′(x) = x + 5 → f′(−1) = 4
Recta tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −3,5 − 4·(−1) = 0,5
Respuesta
b = 0,5
7.Métodos numéricos
Respuesta: S = 0,6226
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.
Esta integral no tiene primitiva elemental, que es justo cuando hace falta una regla numérica.
8.Métodos numéricos
Respuesta: y3 = 1,19
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.