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) = 1y(1) = ?

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

y″ + 3y′ + 2y = 0y(0) = 1y′(0) = 0
y(1) =
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
tyy(0) = 2y(0,25) = ?

Resuelve y″ + y′ + 16,25y = 0 con y(0) = 2 e y′(0) = 0 (soltado desde el reposo). Halla y(0,25); ángulos en radianes.

y″ + y′ + 16,25y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(0.25) =
3.IntegralesMedia
xy4y = √(2x)

La región bajo y = √(2x) desde x = 0 hasta x = 4 gira alrededor del eje x. Halla el volumen V del sólido (un paraboloide).

y = √(2x)0 ≤ x ≤ 4
V =
4.IntegralesDifícil
xy3y = x²eˣ

Calcula I = ∫₀3 x²·eˣ dx.

∫₀3 x²eˣ dx
I =
5.DerivadasMedia
xyx = 1,5

Sea f(x) = x2·e−x. Calcula f′(1,5).

f(x) = x2·e−xx = 1,5
f′(1.5) =
6.DerivadasDifícil
xy

Sea f(x) = x3 − 4,5x2 + 6x − 6. Calcula la coordenada x x del máximo local.

f(x) = x3 − 4,5x2 + 6x − 6
x =
7.Métodos numéricosMedia
xy00,30,60,91,21,5

Aproxima ∫01,5 1/√(1 + x⁴) dx con la regla del trapecio usando n = 5 franjas. Da T.

f(x) = 1/√(1 + x⁴)[a, b] = [0, 1,5]n = 5
T =
8.Métodos numéricosDifícil
00,20,40,6−1−0,5ty(0, −1)

Usa el método de Heun (Euler mejorado) con h = 0,2 para y′ = t − y, y(0) = −1 para estimar y3 ≈ y(0,6).

y′ = t − yy(0) = −1h = 0,2
y3 =

3Disoluciones

1.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(1) = 0,6004

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 = 1, −1A − 2B = 0
A = 2, B = −1

Evalúa

y(1) = 2·e−1 + (−1)·e−2 = 0,6004

Respuesta

y(1) = 0,6004
2.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(0.25) = 1,139

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 complejas

r = −0,5 ± 4j

Constantes

A = 2, B = 0,5·2/4 = 0,25

Evalúa

y(0,25) = e−0,125(2·cos 1 + 0,25·sin 1) = 1,139

Respuesta

y(0,25) = 1,139
3.Integrales

Respuesta: V = 50,27

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∫₀4 2x dx

Integrar

V = π·2·4²/2 = 50,27

Respuesta

V = 50,27
4.Integrales

Respuesta: I = 98,43

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

20,09·(5) − 1·2 = 98,43

Respuesta

I = 98,43
5.Derivadas

Respuesta: f′(1.5) = 0,1673

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′(1,5) = 0,2231·(3 + (−2,25)) = 0,1673

Respuesta

f′(1,5) = 0,1673
6.Derivadas

Respuesta: x = 1

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 − 9x + 6 = 3·(x2 − 3x + 2)

Resolver f′(x) = 0

x = 1 o x = 2

Cuál es cuál

f″(x) = 6x − 9: negativa en un máximo, positiva en un mínimo.

f″(1) = −3, f″(2) = 3
x = 1

Respuesta

x = 1
7.Métodos numéricos

Respuesta: T = 1,196

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.

ixᵢf(xᵢ)peso001110,30,995974220,60,940887230,90,777064241,20,570396251,50,4061381

Nodos y valores

h = 0,3
Σ wᵢfᵢ = 1 + 2·0,995974 + 2·0,940887 + 2·0,777064 + 2·0,570396 + 0,406138 = 7,974782

Regla del trapecio

T = (0,3/2)·7,974782 = 1,196

Respuesta

T = 1,196

Esta integral no tiene primitiva elemental, que es justo cuando hace falta una regla numérica.

8.Métodos numéricos

Respuesta: y3 = −0,4

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₊₁00−111−0,810,2−0,811−0,620,4−0,611−0,4

Pasos de Heun

y₁ = −1 + (0,2/2)(1 + 1) = −0,8
y₂ = −0,8 + (0,2/2)(1 + 1) = −0,6
y₃ = −0,6 + (0,2/2)(1 + 1) = −0,4
00,20,40,6−1−0,5ty

Gráfico

y3 = −0,4

Respuesta

y3 = −0,4

El valor exacto es y(0,6) = −0,4.

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