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″ + 5y′ + 4y = 0 con y(0) = 3 e y′(0) = 6. Halla y(0,5).
Calcula el área A de la región encerrada entre y = 0,5x2 e y = 3x.
y = 0,5x2y = 3x
A =
5.DerivadasMedia
Sea f(x) = (2x + 3)3. Calcula f′(−1).
f(x) = (2x + 3)3x = −1
f′(−1) =
6.DerivadasDifícil
La recta tangente a f(x) = 3x2 − 4x + 1 en x = 2 corta el eje y en y = b. Calcula b.
f(x) = 3x2 − 4x + 1x = 2
b =
7.Métodos numéricosMedia
Aproxima ∫01,5 1/(1 + x³) dx con la regla del trapecio usando n = 5 franjas. Da T.
f(x) = 1/(1 + x³)[a, b] = [0, 1,5]n = 5
T =
8.Métodos numéricosDifícil
Usa el método de Euler con h = 0,2 para y′ = t² + y², y(0) = 0,5 para estimar y3 ≈ y(0,6).
y′ = t² + y²y(0) = 0,5h = 0,2
y3 =
3Disoluciones
1.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(0.5) = 3,233
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 + 4) = 0 → r = −1, −4
Constantes a partir de los valores iniciales
A + B = 3, −1A − 4B = 6
A = 6, B = −3
Evalúa
y(0,5) = 6·e−0,5 + (−3)·e−2 = 3,233
Respuesta
y(0,5) = 3,233
2.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(1) = 1,706
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.
Factor integrante
μ = e2t
(e2ty)′ = 5e1,5t
Solución general
y = 5/1,5·e−0,5t + C·e−2t = 3,333·e−0,5t + C·e−2t
Condición inicial
1 = 3,333 + C → C = −2,333
Evalúa
y(1) = 3,333·0,6065 + (−2,333)·0,1353 = 1,706
Respuesta
y(1) = 1,706
3.Integrales
Respuesta: I = 0,1436
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
(1,125·ln 1,5 − 0,5625) − (0 − 0,25) = 0,1436
Respuesta
I = 0,1436
4.Integrales
Respuesta: A = 18
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
0,5x2 = 3x → x = 0, x = 6
Integrar superior menos inferior
A = [1,5x2 − 0,1667x3]06 = 18
Respuesta
A = 18
5.Derivadas
Respuesta: f′(−1) = 6
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·(2x + 3)2·2
Sustituir
f′(−1) = 3·12·2 = 6
Respuesta
f′(−1) = 6
6.Derivadas
Respuesta: b = −11
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) = 5
f′(x) = 6x − 4 → f′(2) = 8
Recta tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 5 − 8·2 = −11
Respuesta
b = −11
7.Métodos numéricos
Respuesta: T = 1,007
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.
Esta integral no tiene primitiva elemental, que es justo cuando hace falta una regla numérica.
8.Métodos numéricos
Respuesta: y3 = 0,727
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.