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″ + 3y′ + 2y = 0 con y(0) = 4 e y′(0) = 2. Halla y(2).
y″ + 3y′ + 2y = 0y(0) = 4y′(0) = 2
y(2) =
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
Un sistema obedece y″ + 2y′ + 5y = 10 para t ≥ 0, partiendo del reposo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Halla el valor máximo ymax de su respuesta al escalón.
y″ + 2y′ + 5y = 10y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntegralesMedia
La región bajo y = √(4x) desde x = 0 hasta x = 1 gira alrededor del eje x. Halla el volumen V del sólido (un paraboloide).
y = √(4x)0 ≤ x ≤ 1
V =
4.IntegralesDifícil
Calcula el área A de la región encerrada entre y = x2 e y = x.
y = x2y = x
A =
5.DerivadasMedia
Sea f(x) = x3·e−x. Calcula f′(0,5).
f(x) = x3·e−xx = 0,5
f′(0.5) =
6.DerivadasDifícil
La recta tangente a f(x) = x2 − 2x + 1 en x = −2 corta el eje y en y = b. Calcula b.
f(x) = x2 − 2x + 1x = −2
b =
7.Métodos numéricosMedia
Aproxima ∫01 1/(1 + x³) dx con la regla del trapecio usando n = 5 franjas. Da T.
f(x) = 1/(1 + x³)[a, b] = [0, 1]n = 5
T =
8.Métodos numéricosDifícil
Resuelve y′ = t + y, y(0) = 2 con el método de Euler y paso h = 0,2 hasta t = 1. La solución exacta es y = −t − 1 + (y₀ + 1)eᵗ. Halla el error global |E| = |y(1) − y5|.
y′ = t + yy(0) = 2h = 0,2
|E| =
3Disoluciones
1.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(2) = 1,243
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 + 2) = 0 → r = −1, −2
Constantes a partir de los valores iniciales
A + B = 4, −1A − 2B = 2
A = 10, B = −6
Evalúa
y(2) = 10·e−2 + (−6)·e−4 = 1,243
Respuesta
y(2) = 1,243
2.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: ymax = 2,416
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 = −1 ± 2j
Constantes a partir de los valores iniciales
y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −1A + 2B = 0 → B = −1
Pico
t = π/2 = 1,571
ymax = 2·(1 + e−1·π/2) = 2,416
Respuesta
ymax = 2,416
3.Integrales
Respuesta: V = 6,283
Volúmenes de revolución: al girar alrededor del eje x la región bajo y = f(x) desde x = a hasta x = b se obtiene un sólido cuya sección transversal en x es un disco de radio f(x). Sumando los discos se obtiene V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Cuando la región está entre una curva exterior R(x) y una curva interior r(x), cada rebanada es una arandela: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Eleva los radios al cuadrado antes de restarlos.
Método de los discos
V = π∫₀1 4x dx
Integrar
V = π·4·1²/2 = 6,283
Respuesta
V = 6,283
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′(0.5) = 0,3791
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′ = e−x·(3x2 + (−1)·x3)
Sustituir
f′(0,5) = 0,6065·(0,75 + (−0,125)) = 0,3791
Respuesta
f′(0,5) = 0,3791
6.Derivadas
Respuesta: b = −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.
Punto y pendiente
f(−2) = 9
f′(x) = 2x − 2 → f′(−2) = −6
Recta tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 9 − (−6)·(−2) = −3
Respuesta
b = −3
7.Métodos numéricos
Respuesta: T = 0,8331
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| = 0,6899
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
y5 = 5,46496
Valor exacto
y(1) = 6,154845
Error global
|E| = |6,154845 − 5,46496| = 0,6899
Gráfico
Respuesta
|E| = 0,6899
Reducir h a la mitad reduce aproximadamente a la mitad el error del método de Euler.