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″ + 6y′ + 5y = 0 con y(0) = 2 e y′(0) = 0. Halla y(1).
y″ + 6y′ + 5y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(1) =
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
Un sistema obedece y″ + 4y′ + 13y = 13 para t ≥ 0, partiendo del reposo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Halla y(0,75); ángulos en radianes.
y″ + 4y′ + 13y = 13y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.75) =
3.IntegralesMedia
Calcula I = ∫01 2x·(x² + 1)2 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)2[0, 1]
I =
4.IntegralesDifícil
La región entre la recta y = 2x y la parábola y = 0,5x² gira alrededor del eje x. Halla el volumen V del sólido.
y = 2xy = 0,5x²
V =
5.DerivadasMedia
Sea f(x) = (4x + 1)3. Calcula f′(2).
f(x) = (4x + 1)3x = 2
f′(2) =
6.DerivadasDifícil
La recta tangente a f(x) = 2x2 + x − 6 en x = −2 corta el eje y en y = b. Calcula b.
f(x) = 2x2 + x − 6x = −2
b =
7.Métodos numéricosMedia
Se usa la regla del trapecio para ∫02 x³ dx. El error es como máximo (b − a)³·M/(12n²) con M = max|f″| en [0, 2]. Halla el menor número de franjas n que garantiza un error inferior a 1 × 10⁻⁵.
f(x) = x³[a, b] = [0, 2]ε = 1 × 10⁻⁵
n =
8.Métodos numéricosDifícil
Usa el método de Euler con h = 0,2 para y′ = cos t − y, y(0) = −1 para estimar y4 ≈ y(0,8).
y′ = cos t − yy(0) = −1h = 0,2
y4 =
3Disoluciones
1.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(1) = 0,9163
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 + 5) = 0 → r = −1, −5
Constantes a partir de los valores iniciales
A + B = 2, −1A − 5B = 0
A = 2,5, B = −0,5
Evalúa
y(1) = 2,5·e−1 + (−0,5)·e−5 = 0,9163
Respuesta
y(1) = 0,9163
2.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(0.75) = 1,024
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.
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.
Sustitución
u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫12 u2 du
Integrar y evaluar
I = [u3/3]12 = (8 − 1)/3 = 2,333
Respuesta
I = 2,333
4.Integrales
Respuesta: V = 107,2
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.
Puntos de corte
2x = 0,5x² → x = 0, x = 4
Método de las arandelas
V = π∫₀4 ((2x)² − (0,5x²)²) dx
Integrar
V = π(4·4³/3 − 0,25·4⁵/5) = π·34,13 = 107,2
Respuesta
V = 107,2
5.Derivadas
Respuesta: f′(2) = 972
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
f′(x) = 3·(4x + 1)2·4
Sustituir
f′(2) = 3·92·4 = 972
Respuesta
f′(2) = 972
6.Derivadas
Respuesta: b = −14
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) = 0
f′(x) = 4x + 1 → f′(−2) = −7
Recta tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 0 − (−7)·(−2) = −14
Respuesta
b = −14
7.Métodos numéricos
Respuesta: n = 895
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 = 6·2 = 12
Despejar n
n² > 8·12/(12·1 × 10⁻⁵) = 800000
n > 894,4 → n = 895
Respuesta
n = 895
8.Métodos numéricos
Respuesta: y4 = 0,1307
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.