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 pieza de acero forjado a 460 °C se deja enfriar en un taller a 23 °C. Al cabo de 15 min su temperatura es 263 °C. Sigue la ley de enfriamiento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). ¿Cuánto tiempo después del inicio, t, tarda en alcanzar 401 °C?
T0 = 460 °CTa = 23 °CT(15) = 263 °CT = 401 °C
t = min
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
Resuelve y″ + y′ + 9,25y = 0 con y(0) = 2 e y′(0) = 0 (soltado desde el reposo). Halla y(1); ángulos en radianes.
y″ + y′ + 9,25y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(1) =
3.IntegralesMedia
Calcula I = ∫₀π/2 x·cos x dx (x en radianes).
∫₀π/2 x·cos x dx
I =
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) = ln(x2 + 1). Calcula f′(3).
f(x) = ln(x2 + 1)x = 3
f′(3) =
6.DerivadasDifícil
Sea f(x) = x3 − 15x2 + 63x − 4. Calcula la coordenada x x del máximo local.
f(x) = x3 − 15x2 + 63x − 4
x =
7.Métodos numéricosMedia
Aproxima ∫01,5 sin(x²) dx con la regla del trapecio usando n = 6 franjas. Da T.
f(x) = sin(x²)[a, b] = [0, 1,5]n = 6
T =
8.Métodos numéricosDifícil
Usa el método de Euler con h = 0,2 para y′ = y(2 − y), y(0) = 0,5 para estimar y3 ≈ y(0,6).
y′ = y(2 − y)y(0) = 0,5h = 0,2
y3 =
3Disoluciones
1.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: t = 3,63 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(437/240)/15 = 0,03995 min⁻¹
Tiempo hasta alcanzar el objetivo
t = ln(437/378)/0,03995 = 3,63 min
Respuesta
t = 3,63 min
2.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(1) = −1,172
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 complejas
r = −0,5 ± 3j
Constantes
A = 2, B = 0,5·2/3 = 0,3333
Evalúa
y(1) = e−0,5(2·cos 3 + 0,3333·sin 3) = −1,172
Respuesta
y(1) = −1,172
3.Integrales
Respuesta: I = 0,5708
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 = x, du = dx; dv = cos x dx, v = sin x
Primitiva
∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x
Límites
(π/2·sin π/2 + cos π/2) − (0 + 1) = 0,5708
Respuesta
I = 0,5708
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′(3) = 0,6
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 de la cadena para el logaritmo
f′(x) = 2x/(x2 + 1)
Sustituir
f′(3) = 6/10 = 0,6
Respuesta
f′(3) = 0,6
6.Derivadas
Respuesta: x = 3
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 − 30x + 63 = 3·(x2 − 10x + 21)
Resolver f′(x) = 0
x = 3 o x = 7
Cuál es cuál
f″(x) = 6x − 30: negativa en un máximo, positiva en un mínimo.
f″(3) = −12, f″(7) = 12
x = 3
Respuesta
x = 3
7.Métodos numéricos
Respuesta: T = 0,7684
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: y3 = 1,019
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.