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.

Problemas nuevosVolver a la asignatura

En la ventana de impresión, elige «Guardar como PDF» para conservar una copia en tu dispositivo.

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(1) = ?

Resuelve y″ + 5y′ + 6y = 0 con y(0) = 2 e y′(0) = 4. Halla y(1).

y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = 2y′(0) = 4
y(1) =
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
tyK = 10y(0,25) = ?

Un sistema obedece y″ + 4y′ + 13y = 130 para t ≥ 0, partiendo del reposo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Halla y(0,25); ángulos en radianes.

y″ + 4y′ + 13y = 130y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.25) =
3.IntegralesMedia
xy02

Calcula I = ∫02 2x·(x² + 1)2 dx.

f(x) = 2x·(x² + 1)2[0, 2]
I =
4.IntegralesDifícil
xy1y = x²eˣ

Calcula I = ∫₀1 x²·eˣ dx.

∫₀1 x²eˣ dx
I =
5.DerivadasMedia
xyx = 0

Sea f(x) = (2x − 3)5. Calcula f′(0).

f(x) = (2x − 3)5x = 0
f′(0) =
6.DerivadasDifícil
xyx = 3

La recta tangente a f(x) = x2 + 5x + 2 en x = 3 corta el eje y en y = b. Calcula b.

f(x) = x2 + 5x + 2x = 3
b =
7.Métodos numéricosMedia
xy00,250,50,751

Aproxima ∫01 √x·e−x dx con la regla de Simpson usando n = 4 franjas. Da S.

f(x) = √x·e−x[a, b] = [0, 1]n = 4
S =
8.Métodos numéricosDifícil
00,10,20,30,50,60,70,8ty(0, 0,5)

Usa el método de Euler con h = 0,1 para y′ = y(2 − y), y(0) = 0,5 para estimar y3 ≈ y(0,3).

y′ = y(2 − y)y(0) = 0,5h = 0,1
y3 =

3Disoluciones

1.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(1) = 0,9551

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 + 3) = 0 → r = −2, −3

Constantes a partir de los valores iniciales

A + B = 2, −2A − 3B = 4
A = 10, B = −8

Evalúa

y(1) = 10·e−2 + (−8)·e−3 = 0,9551

Respuesta

y(1) = 0,9551
2.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(0.25) = 2,806

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 = 10, r = −2 ± 3j

Constantes a partir de los valores iniciales

y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −2A + 3B = 0 → B = −6,667

Evalúa

y(0,25) = 10·(1 − e−0,5(cos 0,75 + 0,6667·sin 0,75)) = 2,806

Respuesta

y(0,25) = 2,806
3.Integrales

Respuesta: I = 41,33

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.

Sustitución

u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫15 u2 du

Integrar y evaluar

I = [u3/3]15 = (125 − 1)/3 = 41,33

Respuesta

I = 41,33
4.Integrales

Respuesta: I = 0,7183

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

2,718·(1) − 1·2 = 0,7183

Respuesta

I = 0,7183
5.Derivadas

Respuesta: f′(0) = 810

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) = 5·(2x − 3)4·2

Sustituir

f′(0) = 5·(−3)4·2 = 810

Respuesta

f′(0) = 810
6.Derivadas

Respuesta: b = −7

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.

Punto y pendiente

f(3) = 26
f′(x) = 2x + 5 → f′(3) = 11

Recta tangente en x = 0

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 26 − 11·3 = −7

Respuesta

b = −7
7.Métodos numéricos

Respuesta: S = 0,3683

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)peso000110,250,3894420,50,428882230,750,4090814410,3678791

Nodos y valores

h = 0,25
Σ wᵢfᵢ = 0 + 4·0,3894 + 2·0,428882 + 4·0,409081 + 0,367879 = 4,419571

Regla de Simpson

S = (0,25/3)·4,419571 = 0,3683

Respuesta

S = 0,3683

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

8.Métodos numéricos

Respuesta: y3 = 0,7452

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₊₁000,50,750,57510,10,5750,8193750,65693720,20,6569370,8823080,745168

Pasos de Euler

y₁ = 0,5 + 0,1·(0,75) = 0,575
y₂ = 0,575 + 0,1·(0,819375) = 0,656937
y₃ = 0,656937 + 0,1·(0,882308) = 0,745168
00,10,20,30,50,60,70,8ty

Gráfico

y3 = 0,7452

Respuesta

y3 = 0,7452

El valor exacto es y(0,3) = 0,755734.

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations