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) = 1 e y′(0) = -1. Halla y(0,5).
y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 1y′(0) = -1
y(0.5) =
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
Un depósito contiene 200 L de agua pura. Entra salmuera con 0,05 kg de sal por litro a 4 L/min, y la disolución bien mezclada sale al mismo caudal. ¿Al cabo de cuántos minutos t contiene el depósito 3 kg de sal?
V = 200 Lm0 = 0 kgc = 0,05 kg/Lr = 4 L/min
t = min
3.IntegralesMedia
La región bajo y = √(x) desde x = 0 hasta x = 3 gira alrededor del eje x. Halla el volumen V del sólido (un paraboloide).
y = √(x)0 ≤ x ≤ 3
V =
4.IntegralesDifícil
Calcula I = ∫₀2,5 x²·eˣ dx.
∫₀2,5 x²eˣ dx
I =
5.DerivadasMedia
Sea f(x) = x·sin(x), con x en radianes. Calcula f′(1,5).
f(x) = x·sin(x)x = 1,5 rad
f′(1.5) =
6.DerivadasDifícil
Sea f(x) = x3 + 7,5x2 + 18x + 5. Calcula la coordenada x x del mínimo local.
f(x) = x3 + 7,5x2 + 18x + 5
x =
7.Métodos numéricosMedia
La velocidad de un vehículo se mide cada 10 s (tabla). Estima la distancia s recorrida de t = 0 a t = 60 s con la regla del trapecio.
h = 10 sn = 6
s = m
8.Métodos numéricosDifícil
Usa el método de Euler con h = 0,5 para y′ = e−ty, y(0) = 0,5 para estimar y4 ≈ y(2).
y′ = e−tyy(0) = 0,5h = 0,5
y4 =
3Disoluciones
1.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(0.5) = 0,4463
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) = 1
y′(0) = B − 3A → B = -1 + 3 = 2
Evalúa
y(0,5) = (1 + 2·0,5)·e−1,5 = 0,4463
Respuesta
y(0,5) = 0,4463
2.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: t = 17,83 min
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.
Resultado
m(t) = 10 + (−10)·e−t/50
Despeja t
e−t/50 = (10 − 3)/(10 − 0) = 0,7
t = 50·ln(1,429) = 17,83 min
Respuesta
t = 17,83 min
3.Integrales
Respuesta: V = 14,14
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.
Método de los discos
V = π∫₀3 x dx
Integrar
V = π·1·3²/2 = 14,14
Respuesta
V = 14,14
4.Integrales
Respuesta: I = 37,59
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.
Primera vuelta
∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx
Segunda vuelta
∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)
Límites
12,18·(3,25) − 1·2 = 37,59
Respuesta
I = 37,59
5.Derivadas
Respuesta: f′(1.5) = 1,104
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 y de la cadena
f′(x) = sin(x) + x·cos(x)
Sustituir
f′(1,5) = 0,9975 + 1,5·0,07074 = 1,104
Respuesta
f′(1,5) = 1,104
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 + 15x + 18 = 3·(x2 + 5x + 6)
Resolver f′(x) = 0
x = −3 o x = −2
Cuál es cuál
f″(x) = 6x + 15: negativa en un máximo, positiva en un mínimo.
f″(−3) = −3, f″(−2) = 3
x = −2
Respuesta
x = −2
7.Métodos numéricos
Respuesta: s = 315 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
6 + 2·5 + 2·3 + 2·6 + 2·5 + 2·6 + 7 = 63
Regla del trapecio
s = (10/2)·63 = 315 m
Respuesta
s = 315 m
8.Métodos numéricos
Respuesta: y4 = 1,497
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.