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″ + 6y′ + 5y = 0 con y(0) = 5 e y′(0) = -2. Halla y(2).
y″ + 6y′ + 5y = 0y(0) = 5y′(0) = -2
y(2) =
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
Un depósito contiene 100 L de agua en la que hay disueltos 5 kg de sal. Entra salmuera con 0,25 kg de sal por litro a 2 L/min, y la disolución bien mezclada sale al mismo caudal. ¿Al cabo de cuántos minutos t contiene el depósito 13 kg de sal?
V = 100 Lm0 = 5 kgc = 0,25 kg/Lr = 2 L/min
t = min
3.IntegralesMedia
Calcula I = ∫02 2x·(x² + 1)2 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)2[0, 2]
I =
4.IntegralesDifícil
La región entre la recta y = 3x y la parábola y = 3x² gira alrededor del eje x. Halla el volumen V del sólido.
y = 3xy = 3x²
V =
5.DerivadasMedia
Sea f(x) = ln(x2 + 4). Calcula f′(−2).
f(x) = ln(x2 + 4)x = −2
f′(−2) =
6.DerivadasDifícil
La recta tangente a f(x) = −x2 − 2x en x = 3 corta el eje y en y = b. Calcula b.
f(x) = −x2 − 2xx = 3
b =
7.Métodos numéricosMedia
Aproxima ∫12 1/x dx con la regla del trapecio, n = 4, y compárala con el valor exacto. Halla el error absoluto |E| = |T − I|.
f(x) = 1/x[a, b] = [1, 2]n = 4
|E| =
8.Métodos numéricosDifícil
Resuelve y′ = 1,5y, y(0) = −1 con el método de Euler y paso h = 0,5 hasta t = 1,5. La solución exacta es y = y₀e1,5t. Halla el error global |E| = |y(1,5) − y3|.
y′ = 1,5yy(0) = −1h = 0,5
|E| =
3Disoluciones
1.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(2) = 0,7781
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 + 1)(r + 5) = 0 → r = −1, −5
Constantes a partir de los valores iniciales
A + B = 5, −1A − 5B = -2
A = 5,75, B = −0,75
Evalúa
y(2) = 5,75·e−2 + (−0,75)·e−10 = 0,7781
Respuesta
y(2) = 0,7781
2.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: t = 25,54 min
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.
Resultado
m(t) = 25 + (−20)·e−t/50
Despeja t
e−t/50 = (25 − 13)/(25 − 5) = 0,6
t = 50·ln(1,667) = 25,54 min
Respuesta
t = 25,54 min
3.Integrales
Respuesta: I = 41,33
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.
Sustitución
u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫15 u2 du
Integrar y evaluar
I = [u3/3]15 = (125 − 1)/3 = 41,33
Respuesta
I = 41,33
4.Integrales
Respuesta: V = 3,77
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.
Puntos de corte
3x = 3x² → x = 0, x = 1
Método de las arandelas
V = π∫₀1 ((3x)² − (3x²)²) dx
Integrar
V = π(9·1³/3 − 9·1⁵/5) = π·1,2 = 3,77
Respuesta
V = 3,77
5.Derivadas
Respuesta: f′(−2) = −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.
Regla de la cadena para el logaritmo
f′(x) = 2x/(x2 + 4)
Sustituir
f′(−2) = −4/8 = −0,5
Respuesta
f′(−2) = −0,5
6.Derivadas
Respuesta: b = 9
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) = −15
f′(x) = −2x − 2 → f′(3) = −8
Recta tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −15 − (−8)·3 = 9
Respuesta
b = 9
7.Métodos numéricos
Respuesta: |E| = 0,003877
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.
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
y3 = −5,359375
Valor exacto
y(1,5) = −9,487736
Error global
|E| = |−9,487736 + 5,359375| = 4,128
Gráfico
Respuesta
|E| = 4,128
Reducir h a la mitad reduce aproximadamente a la mitad el error del método de Euler.