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″ + 4y′ + 4y = 0 con y(0) = 1 e y′(0) = -1. Halla y(0,5).
y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 1y′(0) = -1
y(0.5) =
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
Resuelve y″ + y′ + 16,25y = 0 con y(0) = 5 e y′(0) = 0 (soltado desde el reposo). Halla y(0,25); ángulos en radianes.
y″ + y′ + 16,25y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(0.25) =
3.IntegralesMedia
Calcula I = ∫01 e2x dx.
f(x) = e2x[0, 1]
I =
4.IntegralesDifícil
Calcula I = ∫₀2,5 x²·eˣ dx.
∫₀2,5 x²eˣ dx
I =
5.DerivadasMedia
Sea f(x) = ln(2x2 + 1). Calcula f′(−1).
f(x) = ln(2x2 + 1)x = −1
f′(−1) =
6.DerivadasDifícil
Sea f(x) = x3 + 7,5x2 + 18x. Calcula la coordenada x x del máximo local.
f(x) = x3 + 7,5x2 + 18x
x =
7.Métodos numéricosMedia
Se usa la regla del trapecio para ∫01 eˣ dx. El error es como máximo (b − a)³·M/(12n²) con M = max|f″| en [0, 1]. Halla el menor número de franjas n que garantiza un error inferior a 0,0001.
f(x) = eˣ[a, b] = [0, 1]ε = 0,0001
n =
8.Métodos numéricosDifícil
Usa el método de Heun (Euler mejorado) con h = 0,25 para y′ = e−ty, y(0) = 0,5 para estimar y3 ≈ y(0,75).
y′ = e−tyy(0) = 0,5h = 0,25
y3 =
3Disoluciones
1.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(0.5) = 0,5518
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 + 2)² = 0 → r = −2
Constantes
A = y(0) = 1
y′(0) = B − 2A → B = -1 + 2 = 1
Evalúa
y(0,5) = (1 + 1·0,5)·e−1 = 0,5518
Respuesta
y(0,5) = 0,5518
2.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(0.25) = 2,848
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.
Raíces complejas
r = −0,5 ± 4j
Constantes
A = 5, B = 0,5·5/4 = 0,625
Evalúa
y(0,25) = e−0,125(5·cos 1 + 0,625·sin 1) = 2,848
Respuesta
y(0,25) = 2,848
3.Integrales
Respuesta: I = 3,195
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) = e2x/2
Evaluar en los límites
I = (e2 − 1)/2 = (7,389 − 1)/2 = 3,195
Respuesta
I = 3,195
4.Integrales
Respuesta: I = 37,59
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
12,18·(3,25) − 1·2 = 37,59
Respuesta
I = 37,59
5.Derivadas
Respuesta: f′(−1) = −1,333
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) = 4x/(2x2 + 1)
Sustituir
f′(−1) = −4/3 = −1,333
Respuesta
f′(−1) = −1,333
6.Derivadas
Respuesta: x = −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.
Derivada
f′(x) = 3x2 + 15x + 18 = 3·(x2 + 5x + 6)
Resolver f′(x) = 0
x = −3 o x = −2
Cuál es cuál
f″(x) = 6x + 15: negativa en un máximo, positiva en un mínimo.
f″(−3) = −3, f″(−2) = 3
x = −3
Respuesta
x = −3
7.Métodos numéricos
Respuesta: n = 48
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.
Cota de la segunda derivada
M = e1 = 2,718
Despejar n
n² > 1·2,718/(12·0,0001) = 2265
n > 47,59 → n = 48
Respuesta
n = 48
8.Métodos numéricos
Respuesta: y3 = 1,046
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.