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.
Para un valor de una tabla: interpola linealmente entre los dos puntos vecinos.
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.
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
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
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
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
Calcula el área A de la región encerrada entre y = x2 e y = 3x.
y = x2y = 3x
A =
5.DerivadasMedia
Sea f(x) = (−2x − 3)4. Calcula f′(−1).
f(x) = (−2x − 3)4x = −1
f′(−1) =
6.DerivadasDifícil
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
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
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.
Pasos de Euler
y3 = 1
Valor exacto
y(1,5) = 0,527466
Error global
|E| = |0,527466 − 1| = 0,4725
Gráfico
Respuesta
|E| = 0,4725
Reducir h a la mitad reduce aproximadamente a la mitad el error del método de Euler.