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)13Ta​20 °C25 °C

Una lata de refresco a 6 °C se saca del frigorífico a una habitación a 29 °C. Al cabo de 13 min su temperatura es 20 °C. Sigue la ley de enfriamiento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). ¿Cuánto tiempo después del inicio, t, tarda en alcanzar 25 °C?

T0 = 6 °CTa = 29 °CT(13) = 20 °CT = 25 °C
t = min
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
tyK = 2ymax​ = ?

Un sistema obedece y″ + y′ + 4,25y = 8,5 para t ≥ 0, partiendo del reposo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Halla el valor máximo ymax de su respuesta al escalón.

y″ + y′ + 4,25y = 8,5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntegralesMedia
xy12

Calcula I = ∫12 5/x dx.

f(x) = 5/x[1, 2]
I =
4.IntegralesDifícil
xyy = x2​y = x

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

y = x2y = x
A =
5.DerivadasMedia
xyx = 1

Sea f(x) = x·ex. Calcula f′(1).

f(x) = x·exx = 1
f′(1) =
6.DerivadasDifícil
xy

Sea f(x) = x3 − 3x − 3. Calcula la coordenada x x del mínimo local.

f(x) = x3 − 3x − 3
x =
7.Métodos numéricosMedia
xy00,511,52

Aproxima ∫02 1/(1 + x³) dx con la regla de Simpson usando n = 4 franjas. Da S.

f(x) = 1/(1 + x³)[a, b] = [0, 2]n = 4
S =
8.Métodos numéricosDifícil
00,20,411,5ty(0, 1)

Usa el método de Euler con h = 0,1 para y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 1 para estimar y5 ≈ y(0,5).

y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 1h = 0,1
y5 =

3Disoluciones

1.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: t = 24,24 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.

Constante de enfriamiento

k = ln(-23/-9)/13 = 0,07217 min⁻¹

Tiempo hasta alcanzar el objetivo

t = ln(-23/(−4))/0,07217 = 24,24 min

Respuesta

t = 24,24 min
2.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: ymax = 2,912

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 = 2, r = −0,5 ± 2j

Constantes a partir de los valores iniciales

y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −0,5A + 2B = 0 → B = −0,5

Pico

t = π/2 = 1,571
ymax = 2·(1 + e−0,5·π/2) = 2,912

Respuesta

ymax = 2,912
3.Integrales

Respuesta: I = 3,466

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.

Primitiva

F(x) = 5·ln x

Evaluar en los límites

I = 5·(ln 2 − ln 1) = 5·ln 2 = 3,466

Respuesta

I = 3,466
4.Integrales

Respuesta: A = 0,1667

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

x2 = x → x = 0, x = 1

Integrar superior menos inferior

A = [0,5x2 − 0,3333x3]01 = 0,1667

Respuesta

A = 0,1667
5.Derivadas

Respuesta: f′(1) = 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′ = ex·(1 + 1·x)

Sustituir

f′(1) = 2,718·(1 + 1) = 5,437

Respuesta

f′(1) = 5,437
6.Derivadas

Respuesta: x = 1

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 − 3 = 3·(x2 − 1)

Resolver f′(x) = 0

x = −1 o x = 1

Cuál es cuál

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

f″(−1) = −6, f″(1) = 6
x = 1

Respuesta

x = 1
7.Métodos numéricos

Respuesta: S = 1,097

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)peso001110,50,8888894210,5231,50,2285714420,1111111

Nodos y valores

h = 0,5
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0,888889 + 2·0,5 + 4·0,228571 + 0,111111 = 6,580952

Regla de Simpson

S = (0,5/3)·6,580952 = 1,097

Respuesta

S = 1,097

Esta integral no tiene primitiva elemental, que es justo cuando hace falta una regla numérica.

8.Métodos numéricos

Respuesta: y5 = 1,63

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₊₁00111,110,11,11,1097781,21097820,21,2109781,2398351,33496130,31,3349611,3898681,47394840,41,4739481,5560111,629549

Pasos de Euler

y₁ = 1 + 0,1·(1) = 1,1
y₂ = 1,1 + 0,1·(1,109778) = 1,210978
y₃ = 1,210978 + 0,1·(1,239835) = 1,334961
y₄ = 1,334961 + 0,1·(1,389868) = 1,473948
y₅ = 1,473948 + 0,1·(1,556011) = 1,629549
00,20,411,5ty

Gráfico

y5 = 1,63

Respuesta

y5 = 1,63

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