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 taza de café a 81 °C se deja en una habitación a 21 °C. Al cabo de 23 min su temperatura es 27 °C. Sigue la ley de enfriamiento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Halla la constante k en min⁻¹.
T0 = 81 °CTa = 21 °CT(23) = 27 °C
k = min⁻¹
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
Resuelve y″ + 2y′ + 10y = 0 con y(0) = 2 e y′(0) = 0 (soltado desde el reposo). Halla y(0,25); ángulos en radianes.
y″ + 2y′ + 10y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(0.25) =
3.IntegralesMedia
Calcula I = ∫01 2x·(x² + 1)2 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)2[0, 1]
I =
4.IntegralesDifícil
Calcula el área A de la región encerrada entre y = 2x2 e y = x.
y = 2x2y = x
A =
5.DerivadasMedia
Sea f(x) = (4x + 5)4. Calcula f′(−1).
f(x) = (4x + 5)4x = −1
f′(−1) =
6.DerivadasDifícil
Sea f(x) = x3 − 10,5x2 + 36x − 1. Calcula la coordenada x x del mínimo local.
f(x) = x3 − 10,5x2 + 36x − 1
x =
7.Métodos numéricosMedia
Aproxima ∫01 √(1 + x³) dx con la regla del trapecio usando n = 2 franjas. Da T.
f(x) = √(1 + x³)[a, b] = [0, 1]n = 2
T =
8.Métodos numéricosDifícil
Da un paso del método clásico de Runge–Kutta (RK4) con h = 0,1 para y′ = cos t − y, y(0) = 1. Halla y₁ ≈ y(0,1).
y′ = cos t − yy(0) = 1h = 0,1
y1 =
3Disoluciones
1.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: k = 0,1001 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−23k = 6/60
Despeja k
k = ln(60/6)/23 = 0,1001 min⁻¹
Respuesta
k = 0,1001 min⁻¹
2.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(0.25) = 1,494
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.
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 = ∫12 u2 du
Integrar y evaluar
I = [u3/3]12 = (8 − 1)/3 = 2,333
Respuesta
I = 2,333
4.Integrales
Respuesta: A = 0,04167
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
2x2 = x → x = 0, x = 0,5
Integrar superior menos inferior
A = [0,5x2 − 0,6667x3]00,5 = 0,04167
Respuesta
A = 0,04167
5.Derivadas
Respuesta: f′(−1) = 16
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·(4x + 5)3·4
Sustituir
f′(−1) = 4·13·4 = 16
Respuesta
f′(−1) = 16
6.Derivadas
Respuesta: x = 4
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 + 36 = 3·(x2 − 7x + 12)
Resolver f′(x) = 0
x = 3 o x = 4
Cuál es cuál
f″(x) = 6x − 21: negativa en un máximo, positiva en un mínimo.
f″(3) = −3, f″(4) = 3
x = 4
Respuesta
x = 4
7.Métodos numéricos
Respuesta: T = 1,134
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.
Nodos y valores
h = 0,5
Σ wᵢfᵢ = 1 + 2·1,06066 + 1,414214 = 4,535534
Regla del trapecio
T = (0,5/2)·4,535534 = 1,134
Respuesta
T = 1,134
Esta integral no tiene primitiva elemental, que es justo cuando hace falta una regla numérica.
8.Métodos numéricos
Respuesta: y1 = 0,9998
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.