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
t (min)T (°C)9Ta​T = ?

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
ty2y(2) = ?

Resuelve y′ + y = 10e−0,5t con y(0) = 0. Halla y(2).

y′ + y = 10e−0,5ty(0) = 0
y(2) =
3.IntegralesMedia
xy3y = 3x

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
xy−22

Calcula el área A de la región entre la parábola y = 4 − x² y el eje x.

y = 4 − x²
A =
5.DerivadasMedia
xyx = 2

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
xy

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
xy00,30,60,91,21,5

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
00,510,511,52ty(0, 2)

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.

ixᵢf(xᵢ)peso001110,30,913931220,60,697676230,90,444858241,20,236928251,50,1053991

Nodos y valores

h = 0,3
Σ wᵢfᵢ = 1 + 2·0,913931 + 2·0,697676 + 2·0,444858 + 2·0,236928 + 0,105399 = 5,692186

Regla del trapecio

T = (0,3/2)·5,692186 = 0,8538

Respuesta

T = 0,8538

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.

ntₙyₙf(tₙ, yₙ)yₙ₊₁0020210,252−11,7520,51,75−1,751,312530,751,3125−1,968750,820313

Pasos de Euler

y₁ = 2 + 0,25·(0) = 2
y₂ = 2 + 0,25·(−1) = 1,75
y₃ = 1,75 + 0,25·(−1,75) = 1,3125
y₄ = 1,3125 + 0,25·(−1,96875) = 0,820313
00,510,511,52ty

Gráfico

y4 = 0,8203

Respuesta

y4 = 0,8203

El valor exacto es y(1) = 0,735759.

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