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″ + 5y′ + 4y = 0 con y(0) = 2 e y′(0) = 2. Halla y(2).
y″ + 5y′ + 4y = 0y(0) = 2y′(0) = 2
y(2) =
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
Un depósito contiene 1000 L de agua pura. Entra salmuera con 0,25 kg de sal por litro a 10 L/min, y la disolución bien mezclada sale al mismo caudal. ¿Al cabo de cuántos minutos t contiene el depósito 75 kg de sal?
V = 1000 Lm0 = 0 kgc = 0,25 kg/Lr = 10 L/min
t = min
3.IntegralesMedia
Calcula I = ∫02 e−0,5x dx.
f(x) = e−0,5x[0, 2]
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) = x·sin(3x), con x en radianes. Calcula f′(1,5).
f(x) = x·sin(3x)x = 1,5 rad
f′(1.5) =
6.DerivadasDifícil
Sea f(x) = x3 − 3x2 − 9x. Calcula la coordenada x x del máximo local.
f(x) = x3 − 3x2 − 9x
x =
7.Métodos numéricosMedia
Se usa la regla del trapecio para ∫01 x³ dx. El error es como máximo (b − a)³·M/(12n²) con M = max|f″| en [0, 1]. Halla el menor número de franjas n que garantiza un error inferior a 0,001.
f(x) = x³[a, b] = [0, 1]ε = 0,001
n =
8.Métodos numéricosDifícil
Da un paso del método clásico de Runge–Kutta (RK4) con h = 0,1 para y′ = cos t − y, y(0) = 1. Halla y₁ ≈ y(0,1).
y′ = cos t − yy(0) = 1h = 0,1
y1 =
3Disoluciones
1.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(2) = 0,4507
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 + 1)(r + 4) = 0 → r = −1, −4
Constantes a partir de los valores iniciales
A + B = 2, −1A − 4B = 2
A = 3,333, B = −1,333
Evalúa
y(2) = 3,333·e−2 + (−1,333)·e−8 = 0,4507
Respuesta
y(2) = 0,4507
2.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: t = 35,67 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.
Resultado
m(t) = 250 + (−250)·e−t/100
Despeja t
e−t/100 = (250 − 75)/(250 − 0) = 0,7
t = 100·ln(1,429) = 35,67 min
Respuesta
t = 35,67 min
3.Integrales
Respuesta: I = 1,264
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.
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′(1.5) = −1,926
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′(1,5) = −0,9775 + 4,5·(−0,2108) = −1,926
Respuesta
f′(1,5) = −1,926
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 − 6x − 9 = 3·(x2 − 2x − 3)
Resolver f′(x) = 0
x = −1 o x = 3
Cuál es cuál
f″(x) = 6x − 6: negativa en un máximo, positiva en un mínimo.
f″(−1) = −12, f″(3) = 12
x = −1
Respuesta
x = −1
7.Métodos numéricos
Respuesta: n = 23
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.
Cota de la segunda derivada
M = 6·1 = 6
Despejar n
n² > 1·6/(12·0,001) = 500
n > 22,36 → n = 23
Respuesta
n = 23
8.Métodos numéricos
Respuesta: y1 = 0,9998
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.