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″ + 7y′ + 12y = 0 con y(0) = 3 e y′(0) = 4. Halla y(2).
y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 3y′(0) = 4
y(2) =
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
Un sistema obedece y″ + y′ + 25,25y = 50,5 para t ≥ 0, partiendo del reposo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Halla y(1); ángulos en radianes.
y″ + y′ + 25,25y = 50,5y(0) = 0y′(0) = 0
y(1) =
3.IntegralesMedia
Calcula I = ∫₁2 x·ln x dx.
∫₁2 x ln x dx
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 + 5). Calcula f′(−2).
f(x) = ln(3x2 + 5)x = −2
f′(−2) =
6.DerivadasDifícil
La recta tangente a f(x) = 0,5x2 − 2x + 2 en x = 3 corta el eje y en y = b. Calcula b.
f(x) = 0,5x2 − 2x + 2x = 3
b =
7.Métodos numéricosMedia
Aproxima ∫14 1/x dx con la regla de Simpson, n = 2, y compárala con el valor exacto. Halla el error absoluto |E| = |S − I|.
f(x) = 1/x[a, b] = [1, 4]n = 2
|E| =
8.Métodos numéricosDifícil
Resuelve y′ = y − t², y(0) = 3 con el método de Euler y paso h = 0,25 hasta t = 1,25. La solución exacta es y = t² + 2t + 2 + (y₀ − 2)eᵗ. Halla el error global |E| = |y(1,25) − y5|.
y′ = y − t²y(0) = 3h = 0,25
|E| =
3Disoluciones
1.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(2) = 0,0353
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 características
(r + 3)(r + 4) = 0 → r = −3, −4
Constantes a partir de los valores iniciales
A + B = 3, −3A − 4B = 4
A = 16, B = −13
Evalúa
y(2) = 16·e−6 + (−13)·e−8 = 0,0353
Respuesta
y(2) = 0,0353
2.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(1) = 1,772
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 = −0,5 ± 5j
Constantes a partir de los valores iniciales
y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −0,5A + 5B = 0 → B = −0,2
Evalúa
y(1) = 2·(1 − e−0,5(cos 5 + 0,1·sin 5)) = 1,772
Respuesta
y(1) = 1,772
3.Integrales
Respuesta: I = 0,6363
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
(2·ln 2 − 1) − (0 − 0,25) = 0,6363
Respuesta
I = 0,6363
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′(−2) = −0,7059
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 + 5)
Sustituir
f′(−2) = −12/17 = −0,7059
Respuesta
f′(−2) = −0,7059
6.Derivadas
Respuesta: b = −2,5
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(3) = 0,5
f′(x) = x − 2 → f′(3) = 1
Recta tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 0,5 − 1·3 = −2,5
Respuesta
b = −2,5
7.Métodos numéricos
Respuesta: |E| = 0,03871
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.
Valor exacto
I = 1,386294
Regla de Simpson
S = (1,5/3)·(1 + 4·0,4 + 0,25) = 1,425
Error
|E| = |1,425 − 1,386294| = 0,03871
Respuesta
|E| = 0,03871
Error relativo: 2,792 %.
8.Métodos numéricos
Respuesta: |E| = 0,9515
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
y5 = 8,601318
Valor exacto
y(1,25) = 9,552843
Error global
|E| = |9,552843 − 8,601318| = 0,9515
Gráfico
Respuesta
|E| = 0,9515
Reducir h a la mitad reduce aproximadamente a la mitad el error del método de Euler.