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(2) = ?

Resuelve y″ + 6y′ + 8y = 0 con y(0) = 3 e y′(0) = 2. Halla y(2).

y″ + 6y′ + 8y = 0y(0) = 3y′(0) = 2
y(2) =
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
t (min)m (kg)t = ?13 kg

Un depósito contiene 200 L de agua en la que hay disueltos 10 kg de sal. Entra salmuera con 0,1 kg de sal por litro a 5 L/min, y la disolución bien mezclada sale al mismo caudal. ¿Al cabo de cuántos minutos t contiene el depósito 13 kg de sal?

V = 200 Lm0 = 10 kgc = 0,1 kg/Lr = 5 L/min
t = min
3.IntegralesMedia
xy01

Calcula I = ∫01 e−x dx.

f(x) = e−x[0, 1]
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) = x2·e−x. Calcula f′(0,5).

f(x) = x2·e−xx = 0,5
f′(0.5) =
6.DerivadasDifícil
xy

Sea f(x) = x3 − 6x2 − 3. Calcula la coordenada x x del mínimo local.

f(x) = x3 − 6x2 − 3
x =
7.Métodos numéricosMedia
t (s)024681012v (m/s)48915181923

La velocidad de un vehículo se mide cada 2 s (tabla). Estima la distancia s recorrida de t = 0 a t = 12 s con la regla de Simpson.

h = 2 sn = 6
s = m
8.Métodos numéricosDifícil
00,51123ty(0, 3)

Usa el método de Euler con h = 0,25 para y′ = t − y, y(0) = 3 para estimar y5 ≈ y(1,25).

y′ = t − yy(0) = 3h = 0,25
y5 =

3Disoluciones

1.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(2) = 0,1269

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 + 2)(r + 4) = 0 → r = −2, −4

Constantes a partir de los valores iniciales

A + B = 3, −2A − 4B = 2
A = 7, B = −4

Evalúa

y(2) = 7·e−4 + (−4)·e−8 = 0,1269

Respuesta

y(2) = 0,1269
2.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: t = 14,27 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) = 20 + (−10)·e−t/40

Despeja t

e−t/40 = (20 − 13)/(20 − 10) = 0,7
t = 40·ln(1,429) = 14,27 min

Respuesta

t = 14,27 min
3.Integrales

Respuesta: I = 0,6321

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) = e−x/(−1)

Evaluar en los límites

I = (e−1 − 1)/(−1) = (0,3679 − 1)/(−1) = 0,6321

Respuesta

I = 0,6321
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) = 0,4549

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

f′(x) = u′v + uv′ = e−x·(2x + (−1)·x2)

Sustituir

f′(0,5) = 0,6065·(1 + (−0,25)) = 0,4549

Respuesta

f′(0,5) = 0,4549
6.Derivadas

Respuesta: x = 4

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 − 12x = 3·(x2 − 4x)

Resolver f′(x) = 0

x = 0 o x = 4

Cuál es cuál

f″(x) = 6x − 12: negativa en un máximo, positiva en un mínimo.

f″(0) = −12, f″(4) = 12
x = 4

Respuesta

x = 4
7.Métodos numéricos

Respuesta: s = 166 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

4 + 4·8 + 2·9 + 4·15 + 2·18 + 4·19 + 23 = 249

Regla de Simpson

s = (2/3)·249 = 166 m

Respuesta

s = 166 m
8.Métodos numéricos

Respuesta: y5 = 1,199

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.

ntₙyₙf(tₙ, yₙ)yₙ₊₁003−32,2510,252,25−21,7520,51,75−1,251,437530,751,4375−0,68751,265625411,265625−0,2656251,199219

Pasos de Euler

y₁ = 3 + 0,25·(−3) = 2,25
y₂ = 2,25 + 0,25·(−2) = 1,75
y₃ = 1,75 + 0,25·(−1,25) = 1,4375
y₄ = 1,4375 + 0,25·(−0,6875) = 1,265625
y₅ = 1,265625 + 0,25·(−0,265625) = 1,199219
00,51123ty

Gráfico

y5 = 1,199

Respuesta

y5 = 1,199

El valor exacto es y(1,25) = 1,396019.

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