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
Una taza de café a 89 °C se deja en una habitación a 19 °C. Sigue la ley de enfriamiento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Con k = 0,09 min⁻¹, halla su temperatura T al cabo de 9 min.
T0 = 89 °CTa = 19 °Ck = 0,09 min⁻¹t = 9 min
T = °C
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
Resuelve y′ + y = 10e−0,5t con y(0) = 0. Halla y(2).
y′ + y = 10e−0,5ty(0) = 0
y(2) =
3.IntegralesMedia
La región bajo y = 3x desde x = 0 hasta x = 3 gira alrededor del eje x. Halla el volumen V del sólido (un cono).
y = 3x0 ≤ x ≤ 3
V =
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) = x·sin(3x), con x en radianes. Calcula f′(2).
f(x) = x·sin(3x)x = 2 rad
f′(2) =
6.DerivadasDifícil
Sea f(x) = x3 − 1,5x2 − 6x + 4. Calcula la coordenada x x del mínimo local.
f(x) = x3 − 1,5x2 − 6x + 4
x =
7.Métodos numéricosMedia
Aproxima ∫01,5 e−x² dx con la regla del trapecio usando n = 5 franjas. Da T.
f(x) = e−x²[a, b] = [0, 1,5]n = 5
T =
8.Métodos numéricosDifícil
Usa el método de Euler con h = 0,25 para y′ = −2ty, y(0) = 2 para estimar y4 ≈ y(1).
y′ = −2tyy(0) = 2h = 0,25
y4 =
3Disoluciones
1.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: T = 50,14 °C
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.
Solución de la ley de enfriamiento
T(t) = 19 + 70·e−0,09t
Sustituye t
T(9) = 19 + 70·0,4449 = 50,14 °C
Respuesta
T = 50,14 °C
2.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(2) = 4,651
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.
Factor integrante
μ = et
(ety)′ = 10e0,5t
Solución general
y = 10/0,5·e−0,5t + C·e−t = 20·e−0,5t + C·e−t
Condición inicial
0 = 20 + C → C = −20
Evalúa
y(2) = 20·0,3679 + (−20)·0,1353 = 4,651
Respuesta
y(2) = 4,651
3.Integrales
Respuesta: V = 254,5
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 9x² dx
Integrar
V = π·9·3³/3 = 254,5
Respuesta
V = 254,5
Comprobación: un cono de radio 9 y altura 3 tiene (1/3)πr²h = 254,5.
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) = 5,482
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 y de la cadena
f′(x) = sin(3x) + 3x·cos(3x)
Sustituir
f′(2) = −0,2794 + 6·0,9602 = 5,482
Respuesta
f′(2) = 5,482
6.Derivadas
Respuesta: x = 2
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 − 3x − 6 = 3·(x2 − x − 2)
Resolver f′(x) = 0
x = −1 o x = 2
Cuál es cuál
f″(x) = 6x − 3: negativa en un máximo, positiva en un mínimo.
f″(−1) = −9, f″(2) = 9
x = 2
Respuesta
x = 2
7.Métodos numéricos
Respuesta: T = 0,8538
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.
Esta integral no tiene primitiva elemental, que es justo cuando hace falta una regla numérica.
8.Métodos numéricos
Respuesta: y4 = 0,8203
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.