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) = 2. Halla y(1).
y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 2y′(0) = 2
y(1) =
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
Un sistema obedece y″ + 4y′ + 20y = 200 para t ≥ 0, partiendo del reposo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Halla y(1,5); ángulos en radianes.
y″ + 4y′ + 20y = 200y(0) = 0y′(0) = 0
y(1.5) =
3.IntegralesMedia
La región bajo y = √(4x) desde x = 0 hasta x = 3 gira alrededor del eje x. Halla el volumen V del sólido (un paraboloide).
y = √(4x)0 ≤ x ≤ 3
V =
4.IntegralesDifícil
Calcula el área A de la región encerrada entre y = 0,5x2 e y = 2x.
y = 0,5x2y = 2x
A =
5.DerivadasMedia
Sea f(x) = (4x + 5)3. Calcula f′(1).
f(x) = (4x + 5)3x = 1
f′(1) =
6.DerivadasDifícil
La recta tangente a f(x) = x2 + 5x + 6 en x = 1 corta el eje y en y = b. Calcula b.
f(x) = x2 + 5x + 6x = 1
b =
7.Métodos numéricosMedia
Aproxima ∫13 1/x dx con la regla del trapecio, n = 2, y compárala con el valor exacto. Halla el error absoluto |E| = |T − I|.
f(x) = 1/x[a, b] = [1, 3]n = 2
|E| =
8.Métodos numéricosDifícil
Da un paso del método clásico de Runge–Kutta (RK4) con h = 0,2 para y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 0. Halla y₁ ≈ y(0,2).
y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0h = 0,2
y1 =
3Disoluciones
1.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(1) = 0,2198
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 = 2 + 8 = 10
Evalúa
y(1) = (2 + 10·1)·e−4 = 0,2198
Respuesta
y(1) = 0,2198
2.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(1.5) = 9,592
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 = 10, r = −2 ± 4j
Constantes a partir de los valores iniciales
y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −2A + 4B = 0 → B = −5
Evalúa
y(1,5) = 10·(1 − e−3(cos 6 + 0,5·sin 6)) = 9,592
Respuesta
y(1,5) = 9,592
3.Integrales
Respuesta: V = 56,55
Volúmenes de revolución: al girar alrededor del eje x la región bajo y = f(x) desde x = a hasta x = b se obtiene un sólido cuya sección transversal en x es un disco de radio f(x). Sumando los discos se obtiene V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Cuando la región está entre una curva exterior R(x) y una curva interior r(x), cada rebanada es una arandela: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Eleva los radios al cuadrado antes de restarlos.
Método de los discos
V = π∫₀3 4x dx
Integrar
V = π·4·3²/2 = 56,55
Respuesta
V = 56,55
4.Integrales
Respuesta: A = 5,333
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
0,5x2 = 2x → x = 0, x = 4
Integrar superior menos inferior
A = [x2 − 0,1667x3]04 = 5,333
Respuesta
A = 5,333
5.Derivadas
Respuesta: f′(1) = 972
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) = 3·(4x + 5)2·4
Sustituir
f′(1) = 3·92·4 = 972
Respuesta
f′(1) = 972
6.Derivadas
Respuesta: b = 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) = 12
f′(x) = 2x + 5 → f′(1) = 7
Recta tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 12 − 7·1 = 5
Respuesta
b = 5
7.Métodos numéricos
Respuesta: |E| = 0,06805
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 = 1,098612
Regla del trapecio
T = (1/2)·(1 + 2·0,5 + 0,333333) = 1,166667
Error
|E| = |1,166667 − 1,098612| = 0,06805
Respuesta
|E| = 0,06805
Error relativo: 6,195 %.
8.Métodos numéricos
Respuesta: y1 = 0,2027
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.