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) = 2y(0,5) = ?

Resuelve y″ + 6y′ + 9y = 0 con y(0) = 2 e y′(0) = 0. Halla y(0,5).

y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(0.5) =
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
tyK = 1y(0,5) = ?

Un sistema obedece y″ + 3y′ + 11,25y = 11,25 para t ≥ 0, partiendo del reposo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Halla y(0,5); ángulos en radianes.

y″ + 3y′ + 11,25y = 11,25y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.5) =
3.IntegralesMedia
xy1y = 3x

La región bajo y = 3x desde x = 0 hasta x = 1 gira alrededor del eje x. Halla el volumen V del sólido (un cono).

y = 3x0 ≤ x ≤ 1
V =
4.IntegralesDifícil
xyy = x2​y = 2x

Calcula el área A de la región encerrada entre y = x2 e y = 2x.

y = x2y = 2x
A =
5.DerivadasMedia
xyx = 1,5

Sea f(x) = x3·e0,5x. Calcula f′(1,5).

f(x) = x3·e0,5xx = 1,5
f′(1.5) =
6.DerivadasDifícil
xy

Sea f(x) = x3 − 3x2 + 5. Calcula la coordenada x x del mínimo local.

f(x) = x3 − 3x2 + 5
x =
7.Métodos numéricosMedia
xy012

Aproxima ∫02 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, 2]n = 2
|E| =
8.Métodos numéricosDifícil
00,20,40,61,41,61,82ty(0, 2)

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

y′ = cos t − yy(0) = 2h = 0,2
y3 =

3Disoluciones

1.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(0.5) = 1,116

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) = 2
y′(0) = B − 3A → B = 0 + 6 = 6

Evalúa

y(0,5) = (2 + 6·0,5)·e−1,5 = 1,116

Respuesta

y(0,5) = 1,116
2.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(0.5) = 0,731

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.

Valor estacionario y raíces

yss = 1, r = −1,5 ± 3j

Constantes a partir de los valores iniciales

y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −1,5A + 3B = 0 → B = −0,5

Evalúa

y(0,5) = 1·(1 − e−0,75(cos 1,5 + 0,5·sin 1,5)) = 0,731

Respuesta

y(0,5) = 0,731
3.Integrales

Respuesta: V = 9,425

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∫₀1 9x² dx

Integrar

V = π·9·1³/3 = 9,425

Respuesta

V = 9,425

Comprobación: un cono de radio 3 y altura 1 tiene (1/3)πr²h = 9,425.

4.Integrales

Respuesta: A = 1,333

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

x2 = 2x → x = 0, x = 2

Integrar superior menos inferior

A = [x2 − 0,3333x3]02 = 1,333

Respuesta

A = 1,333
5.Derivadas

Respuesta: f′(1.5) = 17,86

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′ = e0,5x·(3x2 + 0,5·x3)

Sustituir

f′(1,5) = 2,117·(6,75 + 1,688) = 17,86

Respuesta

f′(1,5) = 17,86
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 − 6x = 3·(x2 − 2x)

Resolver f′(x) = 0

x = 0 o x = 2

Cuál es cuál

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

f″(0) = −6, f″(2) = 6
x = 2

Respuesta

x = 2
7.Métodos numéricos

Respuesta: |E| = 1

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 = 4

Regla del trapecio

T = (1/2)·(0 + 2·1 + 8) = 5

Error

|E| = |5 − 4| = 1

Respuesta

|E| = 1

Error relativo: 25 %.

8.Métodos numéricos

Respuesta: y3 = 1,518

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₊₁002−1−0,8199331,81800710,21,818007−0,83794−0,7293581,66127720,41,661277−0,740216−0,6878981,518465

Pasos de Heun

y₁ = 2 + (0,2/2)(−1 − 0,819933) = 1,818007
y₂ = 1,818007 + (0,2/2)(−0,83794 − 0,729358) = 1,661277
y₃ = 1,661277 + (0,2/2)(−0,740216 − 0,687898) = 1,518465
00,20,40,61,41,61,82ty

Gráfico

y3 = 1,518

Respuesta

y3 = 1,518

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