Ecuaciones diferenciales: pack de repaso

Hojas de fórmulas, los pasos clave de los métodos de cada tema y 8 problemas de práctica, con las soluciones completas al final.

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1Fórmulas y métodos

Ecuaciones diferenciales

Crecimiento/decrecimiento exponencial
dy/dt = ky → y = y0ekt
Periodo de semidesintegración
k = ln 2 / t½
Ley de enfriamiento de Newton
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Factor integrante
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Depósito de mezcla
dm/dt = r·c − (r/V)·m

Integrales

Regla de la potencia
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Integral definida
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Integrales habituales
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Área entre curvas
∫ab (f − g) dx

Método

  1. Reescribe el integrando como suma de términos sencillos siempre que puedas.
  2. Aplica la regla de la potencia: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), y las integrales inmediatas de ex, 1/x, sin y cos.
  3. Usa un cambio de variable cuando veas una función junto con su derivada.
  4. En una integral definida, calcula F(b) − F(a).

Derivadas

Regla de la potencia
(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
Regla del producto
(uv)′ = u′v + uv′
Regla del cociente
(u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
Regla de la cadena
f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
Derivadas habituales
(eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

Método

  1. Identifica la estructura: suma, producto, cociente o composición.
  2. Aplica la regla de la potencia a cada potencia de x.
  3. Usa la regla del producto, del cociente o de la cadena donde haga falta.
  4. Simplifica y, si se pide, evalúa en el punto.

Métodos numéricos

Bisección
c = (a + b)/2, width after n steps (b − a)/2ⁿ
Newton–Raphson
xn+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
Interpolación lineal
y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
Regla del trapecio
T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2fn−1 + fₙ], h = (b − a)/n
Regla de Simpson (n par)
S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4fn−1 + fₙ]
Cota del error del trapecio
|E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
Euler
yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
Heun
yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + hk₁)
RK4
yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)

Método

  1. 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.
  2. Para un valor de una tabla: interpola linealmente entre los dos puntos vecinos.
  3. 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.
  4. 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
tyy(0) = 4y(0,5) = ?

Resuelve y″ + 8y′ + 15y = 0 con y(0) = 4 e y′(0) = 2. Halla y(0,5).

y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = 4y′(0) = 2
y(0.5) =
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
t (min)m (kg)45 minm = ?

Un depósito contiene 200 L de agua pura. Entra salmuera con 0,1 kg de sal por litro a 4 L/min, y la disolución bien mezclada sale al mismo caudal. ¿Cuánta sal m hay en el depósito al cabo de 45 min?

V = 200 Lm0 = 0 kgc = 0,1 kg/Lr = 4 L/min
m = kg
3.IntegralesMedia
xy12,5y = x ln x

Calcula I = ∫₁2,5 x·ln x dx.

∫₁2,5 x ln x dx
I =
4.IntegralesDifícil
xy1,5y = x²eˣ

Calcula I = ∫₀1,5 x²·eˣ dx.

∫₀1,5 x²eˣ dx
I =
5.DerivadasMedia
xyx = 1

Sea f(x) = x2·e−x. Calcula f′(1).

f(x) = x2·e−xx = 1
f′(1) =
6.DerivadasDifícil
xy

Sea f(x) = x3 − 15x2 + 63x + 4. Calcula la coordenada x x del mínimo local.

f(x) = x3 − 15x2 + 63x + 4
x =
7.Métodos numéricosMedia
xy012

Aproxima ∫02 sin x dx con la regla de Simpson, n = 2, y compárala con el valor exacto. Halla el error absoluto |E| = |S − I|.

f(x) = sin x[a, b] = [0, 2]n = 2
|E| =
8.Métodos numéricosDifícil
00,10,20,30,80,91ty(0, 1)

Usa el método de Heun (Euler mejorado) con h = 0,1 para y′ = t − y, y(0) = 1 para estimar y3 ≈ y(0,3).

y′ = t − yy(0) = 1h = 0,1
y3 =

3Disoluciones

1.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(0.5) = 1,88

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 + 5) = 0 → r = −3, −5

Constantes a partir de los valores iniciales

A + B = 4, −3A − 5B = 2
A = 11, B = −7

Evalúa

y(0,5) = 11·e−1,5 + (−7)·e−2,5 = 1,88

Respuesta

y(0,5) = 1,88
2.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: m = 11,87 kg

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.

Plantea la ecuación

dm/dt = 4·0,1 − (4/200)·m = 0,4 − 0,02·m

Resuelve

El factor integrante es ert/V; la solución tiende al equilibrio c·V.

m(t) = 20 + (−20)·e−t/50

Sustituye t

m(45) = 20 + (−20)·0,4066 = 11,87 kg

Respuesta

m = 11,87 kg
3.Integrales

Respuesta: I = 1,551

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

(3,125·ln 2,5 − 1,5625) − (0 − 0,25) = 1,551

Respuesta

I = 1,551
4.Integrales

Respuesta: I = 3,602

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

4,482·(1,25) − 1·2 = 3,602

Respuesta

I = 3,602
5.Derivadas

Respuesta: f′(1) = 0,3679

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 del producto

f′(x) = u′v + uv′ = e−x·(2x + (−1)·x2)

Sustituir

f′(1) = 0,3679·(2 + (−1)) = 0,3679

Respuesta

f′(1) = 0,3679
6.Derivadas

Respuesta: x = 7

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 − 30x + 63 = 3·(x2 − 10x + 21)

Resolver f′(x) = 0

x = 3 o x = 7

Cuál es cuál

f″(x) = 6x − 30: negativa en un máximo, positiva en un mínimo.

f″(3) = −12, f″(7) = 12
x = 7

Respuesta

x = 7
7.Métodos numéricos

Respuesta: |E| = 0,008914

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 = 1,416147

Regla de Simpson

S = (1/3)·(0 + 4·0,841471 + 0,909297) = 1,42506

Error

|E| = |1,42506 − 1,416147| = 0,008914

Respuesta

|E| = 0,008914

Error relativo: 0,6294 %.

8.Métodos numéricos

Respuesta: y3 = 0,7824

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.

ntₙyₙk₁k₂yₙ₊₁001−1−0,80,9110,10,91−0,81−0,6290,8380520,20,83805−0,63805−0,4742450,782435

Pasos de Heun

y₁ = 1 + (0,1/2)(−1 − 0,8) = 0,91
y₂ = 0,91 + (0,1/2)(−0,81 − 0,629) = 0,83805
y₃ = 0,83805 + (0,1/2)(−0,63805 − 0,474245) = 0,782435
00,10,20,30,80,91ty

Gráfico

y3 = 0,7824

Respuesta

y3 = 0,7824

El valor exacto es y(0,3) = 0,781636.

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