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″ + 7y′ + 10y = 0 con y(0) = 2 e y′(0) = 0. Halla y(2).
y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(2) =
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
Un sistema obedece y″ + 4y′ + 8y = 40 para t ≥ 0, partiendo del reposo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Halla y(1); ángulos en radianes.
y″ + 4y′ + 8y = 40y(0) = 0y′(0) = 0
y(1) =
3.IntegralesMedia
Calcula I = ∫01 2x·(x² + 1)3 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)3[0, 1]
I =
4.IntegralesDifícil
Calcula I = ∫₀2 x²·eˣ dx.
∫₀2 x²eˣ dx
I =
5.DerivadasMedia
Sea f(x) = x·e2x. Calcula f′(1).
f(x) = x·e2xx = 1
f′(1) =
6.DerivadasDifícil
La recta tangente a f(x) = 3x2 + 4x − 6 en x = 3 corta el eje y en y = b. Calcula b.
f(x) = 3x2 + 4x − 6x = 3
b =
7.Métodos numéricosMedia
Aproxima ∫02 1/√(1 + x⁴) dx con la regla de Simpson usando n = 4 franjas. Da S.
f(x) = 1/√(1 + x⁴)[a, b] = [0, 2]n = 4
S =
8.Métodos numéricosDifícil
Resuelve y′ = y(2 − y), y(0) = 0,2 con el método de Euler y paso h = 0,25 hasta t = 0,75. La solución exacta es y = 2y₀/(y₀ + (2 − y₀)e−2t). Halla el error global |E| = |y(0,75) − y3|.
y′ = y(2 − y)y(0) = 0,2h = 0,25
|E| =
3Disoluciones
1.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(2) = 0,06099
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 + 2)(r + 5) = 0 → r = −2, −5
Constantes a partir de los valores iniciales
A + B = 2, −2A − 5B = 0
A = 3,333, B = −1,333
Evalúa
y(2) = 3,333·e−4 + (−1,333)·e−10 = 0,06099
Respuesta
y(2) = 0,06099
2.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(1) = 4,666
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 = 5, r = −2 ± 2j
Constantes a partir de los valores iniciales
y(0) = 5 + A = 0 → A = −5
y′(0) = −2A + 2B = 0 → B = −5
Evalúa
y(1) = 5·(1 − e−2(cos 2 + 1·sin 2)) = 4,666
Respuesta
y(1) = 4,666
3.Integrales
Respuesta: I = 3,75
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 = ∫12 u3 du
Integrar y evaluar
I = [u4/4]12 = (16 − 1)/4 = 3,75
Respuesta
I = 3,75
4.Integrales
Respuesta: I = 12,78
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.
Primera vuelta
∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx
Segunda vuelta
∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)
Límites
7,389·(2) − 1·2 = 12,78
Respuesta
I = 12,78
5.Derivadas
Respuesta: f′(1) = 22,17
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′ = e2x·(1 + 2·x)
Sustituir
f′(1) = 7,389·(1 + 2) = 22,17
Respuesta
f′(1) = 22,17
6.Derivadas
Respuesta: b = −33
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) = 33
f′(x) = 6x + 4 → f′(3) = 22
Recta tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 33 − 22·3 = −33
Respuesta
b = −33
7.Métodos numéricos
Respuesta: S = 1,36
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: |E| = 0,08674
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 = 0,578119
Valor exacto
y(0,75) = 0,664856
Error global
|E| = |0,664856 − 0,578119| = 0,08674
Gráfico
Respuesta
|E| = 0,08674
Reducir h a la mitad reduce aproximadamente a la mitad el error del método de Euler.