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′ + 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
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
Calcula I = ∫₁2,5 x·ln x dx.
∫₁2,5 x ln x dx
I =
4.IntegralesDifícil
Calcula el área A de la región entre la parábola y = 1 − x² y el eje x.
y = 1 − x²
A =
5.DerivadasMedia
Sea f(x) = (4x + 3)5. Calcula f′(2).
f(x) = (4x + 3)5x = 2
f′(2) =
6.DerivadasDifícil
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
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
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.