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″ + 7y′ + 12y = 0 con y(0) = 4 e y′(0) = -4. Halla y(2).
y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 4y′(0) = -4
y(2) =
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
Resuelve y″ + 3y′ + 11,25y = 0 con y(0) = 3 e y′(0) = 0 (soltado desde el reposo). Halla y(0,75); ángulos en radianes.
y″ + 3y′ + 11,25y = 0y(0) = 3y′(0) = 0
y(0.75) =
3.IntegralesMedia
Calcula I = ∫₁6 x·ln x dx.
∫₁6 x ln x dx
I =
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′(1).
f(x) = x3·e−xx = 1
f′(1) =
6.DerivadasDifícil
La recta tangente a f(x) = x2 + 5 en x = 1 corta el eje y en y = b. Calcula b.
f(x) = x2 + 5x = 1
b =
7.Métodos numéricosMedia
La velocidad de un vehículo se mide cada 2 s (tabla). Estima la distancia s recorrida de t = 0 a t = 8 s con la regla del trapecio.
h = 2 sn = 4
s = m
8.Métodos numéricosDifícil
Usa el método de Heun (Euler mejorado) con h = 0,2 para y′ = cos t − y, y(0) = −1 para estimar y2 ≈ y(0,4).
y′ = cos t − yy(0) = −1h = 0,2
y2 =
3Disoluciones
1.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(2) = 0,02706
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 + 3)(r + 4) = 0 → r = −3, −4
Constantes a partir de los valores iniciales
A + B = 4, −3A − 4B = -4
A = 12, B = −8
Evalúa
y(2) = 12·e−6 + (−8)·e−8 = 0,02706
Respuesta
y(2) = 0,02706
2.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(0.75) = −0,2329
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.
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
(18·ln 6 − 9) − (0 − 0,25) = 23,5
Respuesta
I = 23,5
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′(1) = 0,7358
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′(1) = 0,3679·(3 + (−1)) = 0,7358
Respuesta
f′(1) = 0,7358
6.Derivadas
Respuesta: b = 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.
Punto y pendiente
f(1) = 6
f′(x) = 2x → f′(1) = 2
Recta tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 6 − 2·1 = 4
Respuesta
b = 4
7.Métodos numéricos
Respuesta: s = 84 m
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.
Suma ponderada
8 + 2·11 + 2·9 + 2·11 + 14 = 84
Regla del trapecio
s = (2/2)·84 = 84 m
Respuesta
s = 84 m
8.Métodos numéricos
Respuesta: y2 = −0,3559
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.