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(1,5) = ?

Resuelve y″ + 8y′ + 15y = 0 con y(0) = 4 e y′(0) = -2. Halla y(1,5).

y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = 4y′(0) = -2
y(1.5) =
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
tyK = 1ymax​ = ?

Un sistema obedece y″ + 3y′ + 18,25y = 18,25 para t ≥ 0, partiendo del reposo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Halla el valor máximo ymax de su respuesta al escalón.

y″ + 3y′ + 18,25y = 18,25y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntegralesMedia
xy11,5y = x ln x

Calcula I = ∫₁1,5 x·ln x dx.

∫₁1,5 x ln x dx
I =
4.IntegralesDifícil
xyy = 2x2​y = 3x

Calcula el área A de la región encerrada entre y = 2x2 e y = 3x.

y = 2x2y = 3x
A =
5.DerivadasMedia
xyx = 2

Sea f(x) = x·e0,5x. Calcula f′(2).

f(x) = x·e0,5xx = 2
f′(2) =
6.DerivadasDifícil
xyx = 1

La recta tangente a f(x) = x2 − 2x + 5 en x = 1 corta el eje y en y = b. Calcula b.

f(x) = x2 − 2x + 5x = 1
b =
7.Métodos numéricosMedia
xy11,522,53

Aproxima ∫13 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, 3]n = 4
|E| =
8.Métodos numéricosDifícil
00,5111,52ty(0, 2)

Usa el método de Euler con h = 0,25 para y′ = t − y, y(0) = 2 para estimar y5 ≈ y(1,25).

y′ = t − yy(0) = 2h = 0,25
y5 =

3Disoluciones

1.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(1.5) = 0,09722

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 = 9, B = −5

Evalúa

y(1,5) = 9·e−4,5 + (−5)·e−7,5 = 0,09722

Respuesta

y(1,5) = 0,09722
2.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: ymax = 1,308

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 = 1, r = −1,5 ± 4j

Constantes a partir de los valores iniciales

y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −1,5A + 4B = 0 → B = −0,375

Pico

t = π/4 = 0,7854
ymax = 1·(1 + e−1,5·π/4) = 1,308

Respuesta

ymax = 1,308
3.Integrales

Respuesta: I = 0,1436

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

(1,125·ln 1,5 − 0,5625) − (0 − 0,25) = 0,1436

Respuesta

I = 0,1436
4.Integrales

Respuesta: A = 1,125

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

2x2 = 3x → x = 0, x = 1,5

Integrar superior menos inferior

A = [1,5x2 − 0,6667x3]01,5 = 1,125

Respuesta

A = 1,125
5.Derivadas

Respuesta: f′(2) = 5,437

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′ = e0,5x·(1 + 0,5·x)

Sustituir

f′(2) = 2,718·(1 + 1) = 5,437

Respuesta

f′(2) = 5,437
6.Derivadas

Respuesta: b = 4

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) = 4
f′(x) = 2x − 2 → f′(1) = 0

Recta tangente en x = 0

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 4 − 0·1 = 4

Respuesta

b = 4
7.Métodos numéricos

Respuesta: |E| = 0,01805

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 = (0,5/2)·(1 + 2·0,666667 + 2·0,5 + 2·0,4 + 0,333333) = 1,116667

Error

|E| = |1,116667 − 1,098612| = 0,01805

Respuesta

|E| = 0,01805

Error relativo: 1,643 %.

8.Métodos numéricos

Respuesta: y5 = 0,9619

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.

ntₙyₙf(tₙ, yₙ)yₙ₊₁002−21,510,251,5−1,251,187520,51,1875−0,68751,01562530,751,015625−0,2656250,949219410,9492190,05078130,961914

Pasos de Euler

y₁ = 2 + 0,25·(−2) = 1,5
y₂ = 1,5 + 0,25·(−1,25) = 1,1875
y₃ = 1,1875 + 0,25·(−0,6875) = 1,015625
y₄ = 1,015625 + 0,25·(−0,265625) = 0,949219
y₅ = 0,949219 + 0,25·(0,0507813) = 0,961914
00,5111,52ty

Gráfico

y5 = 0,9619

Respuesta

y5 = 0,9619

El valor exacto es y(1,25) = 1,109514.

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