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 24 °C. Al cabo de 30 min su temperatura es 121 °C. Sigue la ley de enfriamiento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). ¿Cuánto tiempo después del inicio, t, tarda en alcanzar 63 °C?
T0 = 460 °CTa = 24 °CT(30) = 121 °CT = 63 °C
t = min
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
Un sistema obedece y″ + y′ + 9,25y = 18,5 para t ≥ 0, partiendo del reposo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Halla el valor máximo ymax de su respuesta al escalón.
y″ + y′ + 9,25y = 18,5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntegralesMedia
Calcula I = ∫₁5 x·ln x dx.
∫₁5 x ln x dx
I =
4.IntegralesDifícil
Calcula el área A de la región encerrada entre y = 0,5x2 e y = x.
y = 0,5x2y = x
A =
5.DerivadasMedia
Sea f(x) = ln(3x2 + 2). Calcula f′(2).
f(x) = ln(3x2 + 2)x = 2
f′(2) =
6.DerivadasDifícil
La recta tangente a f(x) = 2x2 + 5x − 5 en x = 3 corta el eje y en y = b. Calcula b.
f(x) = 2x2 + 5x − 5x = 3
b =
7.Métodos numéricosMedia
Aproxima ∫02 sin(x²) dx con la regla de Simpson usando n = 4 franjas. Da S.
f(x) = sin(x²)[a, b] = [0, 2]n = 4
S =
8.Métodos numéricosDifícil
Da un paso del método clásico de Runge–Kutta (RK4) con h = 0,5 para y′ = e−ty, y(0) = 0,5. Halla y₁ ≈ y(0,5).
y′ = e−tyy(0) = 0,5h = 0,5
y1 =
3Disoluciones
1.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: t = 48,19 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(436/97)/30 = 0,0501 min⁻¹
Tiempo hasta alcanzar el objetivo
t = ln(436/39)/0,0501 = 48,19 min
Respuesta
t = 48,19 min
2.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: ymax = 3,185
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 ± 3j
Constantes a partir de los valores iniciales
y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −0,5A + 3B = 0 → B = −0,3333
Pico
t = π/3 = 1,047
ymax = 2·(1 + e−0,5·π/3) = 3,185
Respuesta
ymax = 3,185
3.Integrales
Respuesta: I = 14,12
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 = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2
Primitiva
∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4
Límites
(12,5·ln 5 − 6,25) − (0 − 0,25) = 14,12
Respuesta
I = 14,12
4.Integrales
Respuesta: A = 0,6667
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
0,5x2 = x → x = 0, x = 2
Integrar superior menos inferior
A = [0,5x2 − 0,1667x3]02 = 0,6667
Respuesta
A = 0,6667
5.Derivadas
Respuesta: f′(2) = 0,8571
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) = 6x/(3x2 + 2)
Sustituir
f′(2) = 12/14 = 0,8571
Respuesta
f′(2) = 0,8571
6.Derivadas
Respuesta: b = −23
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) = 28
f′(x) = 4x + 5 → f′(3) = 17
Recta tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 28 − 17·3 = −23
Respuesta
b = −23
7.Métodos numéricos
Respuesta: S = 0,838
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: y1 = 0,9138
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.