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) = ?

Resuelve y″ + 3y′ + 2y = 0 con y(0) = 3 e y′(0) = 4. Halla y(1).

y″ + 3y′ + 2y = 0y(0) = 3y′(0) = 4
y(1) =
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
xy13(1, 4)y(3) = ?

Resuelve el problema de valor inicial y′ + 3y/x = 6 para x > 0, con y(1) = 4. Halla y(3).

y′ + 3y/x = 6y(1) = 4
y(3) =
3.IntegralesMedia
xy03

Calcula I = ∫03 ex dx.

f(x) = ex[0, 3]
I =
4.IntegralesDifícil
xy2,5y = x²eˣ

Calcula I = ∫₀2,5 x²·eˣ dx.

∫₀2,5 x²eˣ dx
I =
5.DerivadasMedia
xyx = 0,5

Sea f(x) = x·sin(2x), con x en radianes. Calcula f′(0,5).

f(x) = x·sin(2x)x = 0,5 rad
f′(0.5) =
6.DerivadasDifícil
xyx = −2

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
xy00,51

Aproxima ∫01 x³ dx con la regla del trapecio, n = 2, y compárala con el valor exacto. Halla el error absoluto |E| = |T − I|.

f(x) = x³[a, b] = [0, 1]n = 2
|E| =
8.Métodos numéricosDifícil
00,20,40,600,51ty(0, 0)

Usa el método de Heun (Euler mejorado) con h = 0,25 para y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 0 para estimar y3 ≈ y(0,75).

y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0h = 0,25
y3 =

3Disoluciones

1.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(1) = 2,731

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 + 2) = 0 → r = −1, −2

Constantes a partir de los valores iniciales

A + B = 3, −1A − 2B = 4
A = 10, B = −7

Evalúa

y(1) = 10·e−1 + (−7)·e−2 = 2,731

Respuesta

y(1) = 2,731
2.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(3) = 4,593

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 = e∫3/x dx = x3

Integrar

(x3y)′ = 6x3 → x3y = 6x4/4 + C

Condición inicial

4 = 6/4 + C → C = 2,5

Evalúa

y(3) = (6·34/4 + 2,5)/33 = 4,593

Respuesta

y(3) = 4,593
3.Integrales

Respuesta: I = 19,09

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.

Primitiva

F(x) = ex/1

Evaluar en los límites

I = (e3 − 1)/1 = (20,09 − 1)/1 = 19,09

Respuesta

I = 19,09
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′(0.5) = 1,382

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(2x) + 2x·cos(2x)

Sustituir

f′(0,5) = 0,8415 + 1·0,5403 = 1,382

Respuesta

f′(0,5) = 1,382
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) = 21
f′(x) = 6x − 4 → f′(−2) = −16

Recta tangente en x = 0

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 21 − (−16)·(−2) = −11

Respuesta

b = −11
7.Métodos numéricos

Respuesta: |E| = 0,0625

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 = 0,25

Regla del trapecio

T = (0,5/2)·(0 + 2·0,125 + 1) = 0,3125

Error

|E| = |0,3125 − 0,25| = 0,0625

Respuesta

|E| = 0,0625

Error relativo: 25 %.

8.Métodos numéricos

Respuesta: y3 = 0,9077

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₊₁00011,0624590,25780710,250,2578071,0644071,2589690,54822920,50,5482291,2706951,604730,907658

Pasos de Heun

y₁ = 0 + (0,25/2)(1 + 1,062459) = 0,257807
y₂ = 0,257807 + (0,25/2)(1,064407 + 1,258969) = 0,548229
y₃ = 0,548229 + (0,25/2)(1,270695 + 1,60473) = 0,907658
00,20,40,600,51ty

Gráfico

y3 = 0,9077

Respuesta

y3 = 0,9077

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