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
t (min)T (°C)46Ta​200 °C

Una pieza de acero forjado a 460 °C se deja enfriar en un taller a 28 °C. Al cabo de 46 min su temperatura es 200 °C. Sigue la ley de enfriamiento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Halla la constante k en min⁻¹.

T0 = 460 °CTa = 28 °CT(46) = 200 °C
k = min⁻¹
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
xy13(1, 0)y(3) = ?

Resuelve el problema de valor inicial y′ + y/x = 3x2 para x > 0, con y(1) = 0. Halla y(3).

y′ + y/x = 3x2y(1) = 0
y(3) =
3.IntegralesMedia
xy1y = √(x)

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

y = √(x)0 ≤ x ≤ 1
V =
4.IntegralesDifícil
xyy = x2​y = 3x

Calcula el área A de la región encerrada entre y = x2 e y = 3x.

y = x2y = 3x
A =
5.DerivadasMedia
xyx = −1

Sea f(x) = (−2x − 3)4. Calcula f′(−1).

f(x) = (−2x − 3)4x = −1
f′(−1) =
6.DerivadasDifícil
xy

Sea f(x) = x3 − 10,5x2 + 30x + 3. Calcula la coordenada x x del mínimo local.

f(x) = x3 − 10,5x2 + 30x + 3
x =
7.Métodos numéricosMedia
t (s)0510152025v (m/s)8910131217

La velocidad de un vehículo se mide cada 5 s (tabla). Estima la distancia s recorrida de t = 0 a t = 25 s con la regla del trapecio.

h = 5 sn = 5
s = m
8.Métodos numéricosDifícil
00,511,50,40,60,81ty(0, 0,5)

Resuelve y′ = y − t², y(0) = 0,5 con el método de Euler y paso h = 0,5 hasta t = 1,5. La solución exacta es y = t² + 2t + 2 + (y₀ − 2)eᵗ. Halla el error global |E| = |y(1,5) − y3|.

y′ = y − t²y(0) = 0,5h = 0,5
|E| =

3Disoluciones

1.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: k = 0,02002 min⁻¹

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.

Cociente de diferencias de temperatura

e−46k = 172/432

Despeja k

k = ln(432/172)/46 = 0,02002 min⁻¹

Respuesta

k = 0,02002 min⁻¹
2.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(3) = 20

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∫1/x dx = x1

Integrar

(x1y)′ = 3x3 → x1y = 3x4/4 + C

Condición inicial

0 = 3/4 + C → C = −0,75

Evalúa

y(3) = (3·34/4 + (−0,75))/31 = 20

Respuesta

y(3) = 20
3.Integrales

Respuesta: V = 1,571

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 x dx

Integrar

V = π·1·1²/2 = 1,571

Respuesta

V = 1,571
4.Integrales

Respuesta: A = 4,5

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 = 3x → x = 0, x = 3

Integrar superior menos inferior

A = [1,5x2 − 0,3333x3]03 = 4,5

Respuesta

A = 4,5
5.Derivadas

Respuesta: f′(−1) = 8

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) = 4·(−2x − 3)3·(−2)

Sustituir

f′(−1) = 4·(−1)3·(−2) = 8

Respuesta

f′(−1) = 8
6.Derivadas

Respuesta: x = 5

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 − 21x + 30 = 3·(x2 − 7x + 10)

Resolver f′(x) = 0

x = 2 o x = 5

Cuál es cuál

f″(x) = 6x − 21: negativa en un máximo, positiva en un mínimo.

f″(2) = −9, f″(5) = 9
x = 5

Respuesta

x = 5
7.Métodos numéricos

Respuesta: s = 282,5 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

8 + 2·9 + 2·10 + 2·13 + 2·12 + 17 = 113

Regla del trapecio

s = (5/2)·113 = 282,5 m

Respuesta

s = 282,5 m
8.Métodos numéricos

Respuesta: |E| = 0,4725

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₊₁000,50,50,7510,50,750,5121101

Pasos de Euler

y3 = 1

Valor exacto

y(1,5) = 0,527466

Error global

|E| = |0,527466 − 1| = 0,4725
00,511,50,40,60,81ty

Gráfico

Respuesta

|E| = 0,4725

Reducir h a la mitad reduce aproximadamente a la mitad el error del método de Euler.

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