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) = 3y(1,5) = ?

Resuelve y″ + 6y′ + 9y = 0 con y(0) = 3 e y′(0) = 0. Halla y(1,5).

y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 3y′(0) = 0
y(1.5) =
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
tyK = 5ymax​ = ?

Un sistema obedece y″ + 2y′ + 26y = 130 para t ≥ 0, partiendo del reposo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Halla el valor máximo ymax de su respuesta al escalón.

y″ + 2y′ + 26y = 130y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntegralesMedia
xy12,5y = x ln x

Calcula I = ∫₁2,5 x·ln x dx.

∫₁2,5 x ln x dx
I =
4.IntegralesDifícil
xy−11

Calcula el área A de la región entre la parábola y = 1 − x² y el eje x.

y = 1 − x²
A =
5.DerivadasMedia
xyx = 2

Sea f(x) = (4x + 3)5. Calcula f′(2).

f(x) = (4x + 3)5x = 2
f′(2) =
6.DerivadasDifícil
xy

Sea f(x) = x3 + 9x2 + 24x + 3. Calcula la coordenada x x del mínimo local.

f(x) = x3 + 9x2 + 24x + 3
x =
7.Métodos numéricosMedia
xy01,53

Aproxima ∫03 sin x dx con la regla de Simpson, n = 2, y compárala con el valor exacto. Halla el error absoluto |E| = |S − I|.

f(x) = sin x[a, b] = [0, 3]n = 2
|E| =
8.Métodos numéricosDifícil
00,050,10,150,233,5ty(0, 3)

Usa el método de Heun (Euler mejorado) con h = 0,1 para y′ = t + y, y(0) = 3 para estimar y2 ≈ y(0,2).

y′ = t + yy(0) = 3h = 0,1
y2 =

3Disoluciones

1.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(1.5) = 0,1833

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.

Raíz doble

(r + 3)² = 0 → r = −3

Constantes

A = y(0) = 3
y′(0) = B − 3A → B = 0 + 9 = 9

Evalúa

y(1,5) = (3 + 9·1,5)·e−4,5 = 0,1833

Respuesta

y(1,5) = 0,1833
2.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: ymax = 7,667

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 = 5, r = −1 ± 5j

Constantes a partir de los valores iniciales

y(0) = 5 + A = 0 → A = −5
y′(0) = −1A + 5B = 0 → B = −1

Pico

t = π/5 = 0,6283
ymax = 5·(1 + e−1·π/5) = 7,667

Respuesta

ymax = 7,667
3.Integrales

Respuesta: I = 1,551

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

(3,125·ln 2,5 − 1,5625) − (0 − 0,25) = 1,551

Respuesta

I = 1,551
4.Integrales

Respuesta: A = 1,333

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.

Ceros

1 − x² = 0 → x = ±1

Integrar

A = [1x − x³/3]−11 = 0,6667 − (−0,6667) = 1,333

Respuesta

A = 1,333
5.Derivadas

Respuesta: f′(2) = 292820

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) = 5·(4x + 3)4·4

Sustituir

f′(2) = 5·114·4 = 292820

Respuesta

f′(2) = 292820
6.Derivadas

Respuesta: x = −2

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.

Derivada

f′(x) = 3x2 + 18x + 24 = 3·(x2 + 6x + 8)

Resolver f′(x) = 0

x = −4 o x = −2

Cuál es cuál

f″(x) = 6x + 18: negativa en un máximo, positiva en un mínimo.

f″(−4) = −6, f″(−2) = 6
x = −2

Respuesta

x = −2
7.Métodos numéricos

Respuesta: |E| = 0,07556

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 = 1,989992

Regla de Simpson

S = (1,5/3)·(0 + 4·0,997495 + 0,14112) = 2,06555

Error

|E| = |2,06555 − 1,989992| = 0,07556

Respuesta

|E| = 0,07556

Error relativo: 3,797 %.

8.Métodos numéricos

Respuesta: y2 = 3,684

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.

ntₙyₙk₁k₂yₙ₊₁00333,43,3210,13,323,423,8623,6841

Pasos de Heun

y₁ = 3 + (0,1/2)(3 + 3,4) = 3,32
y₂ = 3,32 + (0,1/2)(3,42 + 3,862) = 3,6841
00,050,10,150,233,5ty

Gráfico

y2 = 3,684

Respuesta

y2 = 3,684

El valor exacto es y(0,2) = 3,685611.

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