Ecuaciones diferenciales: pack de repaso

Hojas de fórmulas, los pasos clave de los métodos de cada tema y 8 problemas de práctica, con las soluciones completas al final.

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1Fórmulas y métodos

Ecuaciones diferenciales

Crecimiento/decrecimiento exponencial
dy/dt = ky → y = y0ekt
Periodo de semidesintegración
k = ln 2 / t½
Ley de enfriamiento de Newton
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Factor integrante
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Depósito de mezcla
dm/dt = r·c − (r/V)·m

Integrales

Regla de la potencia
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Integral definida
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Integrales habituales
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Área entre curvas
∫ab (f − g) dx

Método

  1. Reescribe el integrando como suma de términos sencillos siempre que puedas.
  2. Aplica la regla de la potencia: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), y las integrales inmediatas de ex, 1/x, sin y cos.
  3. Usa un cambio de variable cuando veas una función junto con su derivada.
  4. En una integral definida, calcula F(b) − F(a).

Derivadas

Regla de la potencia
(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
Regla del producto
(uv)′ = u′v + uv′
Regla del cociente
(u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
Regla de la cadena
f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
Derivadas habituales
(eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

Método

  1. Identifica la estructura: suma, producto, cociente o composición.
  2. Aplica la regla de la potencia a cada potencia de x.
  3. Usa la regla del producto, del cociente o de la cadena donde haga falta.
  4. Simplifica y, si se pide, evalúa en el punto.

Métodos numéricos

Bisección
c = (a + b)/2, width after n steps (b − a)/2ⁿ
Newton–Raphson
xn+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
Interpolación lineal
y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
Regla del trapecio
T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2fn−1 + fₙ], h = (b − a)/n
Regla de Simpson (n par)
S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4fn−1 + fₙ]
Cota del error del trapecio
|E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
Euler
yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
Heun
yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + hk₁)
RK4
yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)

Método

  1. 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.
  2. Para un valor de una tabla: interpola linealmente entre los dos puntos vecinos.
  3. 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.
  4. 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
tyy(0) = 4y(1) = ?

Resuelve y″ + 4y′ + 3y = 0 con y(0) = 4 e y′(0) = -2. Halla y(1).

y″ + 4y′ + 3y = 0y(0) = 4y′(0) = -2
y(1) =
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
ty0,5y(0,5) = ?

Resuelve y′ + 0,5y = 5e−t con y(0) = 4. Halla y(0,5).

y′ + 0,5y = 5e−ty(0) = 4
y(0.5) =
3.IntegralesMedia
xy03

Calcula I = ∫03 e0,5x dx.

f(x) = e0,5x[0, 3]
I =
4.IntegralesDifícil
xyy = x2​y = 3x

Calcula el área A de la región encerrada entre y = x2 e y = 3x.

y = x2y = 3x
A =
5.DerivadasMedia
xyx = −1

Sea f(x) = ln(x2 + 4). Calcula f′(−1).

f(x) = ln(x2 + 4)x = −1
f′(−1) =
6.DerivadasDifícil
xyx = −2

La recta tangente a f(x) = 3x2 − 4x − 3 en x = −2 corta el eje y en y = b. Calcula b.

f(x) = 3x2 − 4x − 3x = −2
b =
7.Métodos numéricosMedia
xy11,52

Aproxima ∫12 1/x dx con la regla del trapecio, n = 2, y compárala con el valor exacto. Halla el error absoluto |E| = |T − I|.

f(x) = 1/x[a, b] = [1, 2]n = 2
|E| =
8.Métodos numéricosDifícil
00,51510ty(0, 3)

Usa el método de Euler con h = 0,25 para y′ = t + y, y(0) = 3 para estimar y5 ≈ y(1,25).

y′ = t + yy(0) = 3h = 0,25
y5 =

3Disoluciones

1.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(1) = 1,79

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 + 3) = 0 → r = −1, −3

Constantes a partir de los valores iniciales

A + B = 4, −1A − 3B = -2
A = 5, B = −1

Evalúa

y(1) = 5·e−1 + (−1)·e−3 = 1,79

Respuesta

y(1) = 1,79
2.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(0.5) = 4,838

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.

Factor integrante

μ = e0,5t
(e0,5ty)′ = 5e−0,5t

Solución general

y = 5/(−0,5)·e−t + C·e−0,5t = −10·e−t + C·e−0,5t

Condición inicial

4 = −10 + C → C = 14

Evalúa

y(0,5) = −10·0,6065 + 14·0,7788 = 4,838

Respuesta

y(0,5) = 4,838
3.Integrales

Respuesta: I = 6,963

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.

Primitiva

F(x) = e0,5x/0,5

Evaluar en los límites

I = (e1,5 − 1)/0,5 = (4,482 − 1)/0,5 = 6,963

Respuesta

I = 6,963
4.Integrales

Respuesta: A = 4,5

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 = 3x → x = 0, x = 3

Integrar superior menos inferior

A = [1,5x2 − 0,3333x3]03 = 4,5

Respuesta

A = 4,5
5.Derivadas

Respuesta: f′(−1) = −0,4

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 + 4)

Sustituir

f′(−1) = −2/5 = −0,4

Respuesta

f′(−1) = −0,4
6.Derivadas

Respuesta: b = −15

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) = 17
f′(x) = 6x − 4 → f′(−2) = −16

Recta tangente en x = 0

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 17 − (−16)·(−2) = −15

Respuesta

b = −15
7.Métodos numéricos

Respuesta: |E| = 0,01519

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.

Valor exacto

I = 0,693147

Regla del trapecio

T = (0,5/2)·(1 + 2·0,666667 + 0,5) = 0,708333

Error

|E| = |0,708333 − 0,693147| = 0,01519

Respuesta

|E| = 0,01519

Error relativo: 2,191 %.

8.Métodos numéricos

Respuesta: y5 = 9,957

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.

ntₙyₙf(tₙ, yₙ)yₙ₊₁00333,7510,253,7544,7520,54,755,256,062530,756,06256,81257,765625417,7656258,7656259,957031

Pasos de Euler

y₁ = 3 + 0,25·(3) = 3,75
y₂ = 3,75 + 0,25·(4) = 4,75
y₃ = 4,75 + 0,25·(5,25) = 6,0625
y₄ = 6,0625 + 0,25·(6,8125) = 7,765625
y₅ = 7,765625 + 0,25·(8,765625) = 9,957031
00,51510ty

Gráfico

y5 = 9,957

Respuesta

y5 = 9,957

El valor exacto es y(1,25) = 11,711372.

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