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
Resuelve y″ + 4y′ + 4y = 0 con y(0) = 5 e y′(0) = 4. Halla y(1).
y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 5y′(0) = 4
y(1) =
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
Un depósito contiene 500 L de agua pura. Entra salmuera con 0,2 kg de sal por litro a 2 L/min, y la disolución bien mezclada sale al mismo caudal. ¿Cuánta sal m hay en el depósito al cabo de 45 min?
V = 500 Lm0 = 0 kgc = 0,2 kg/Lr = 2 L/min
m = kg
3.IntegralesMedia
Calcula I = ∫12 5/x dx.
f(x) = 5/x[1, 2]
I =
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 + 5)4. Calcula f′(−1).
f(x) = (2x + 5)4x = −1
f′(−1) =
6.DerivadasDifícil
La recta tangente a f(x) = 3x2 − 3x − 1 en x = 3 corta el eje y en y = b. Calcula b.
f(x) = 3x2 − 3x − 1x = 3
b =
7.Métodos numéricosMedia
Aproxima ∫01,5 sin(x²) dx con la regla de Simpson usando n = 4 franjas. Da S.
f(x) = sin(x²)[a, b] = [0, 1,5]n = 4
S =
8.Métodos numéricosDifícil
Da un paso del método clásico de Runge–Kutta (RK4) con h = 0,2 para y′ = cos t − y, y(0) = 3. Halla y₁ ≈ y(0,2).
y′ = cos t − yy(0) = 3h = 0,2
y1 =
3Disoluciones
1.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(1) = 2,571
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 + 2)² = 0 → r = −2
Constantes
A = y(0) = 5
y′(0) = B − 2A → B = 4 + 10 = 14
Evalúa
y(1) = (5 + 14·1)·e−2 = 2,571
Respuesta
y(1) = 2,571
2.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: m = 16,47 kg
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.
Plantea la ecuación
dm/dt = 2·0,2 − (2/500)·m = 0,4 − 0,004·m
Resuelve
El factor integrante es ert/V; la solución tiende al equilibrio c·V.
m(t) = 100 + (−100)·e−t/250
Sustituye t
m(45) = 100 + (−100)·0,8353 = 16,47 kg
Respuesta
m = 16,47 kg
3.Integrales
Respuesta: I = 3,466
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.
Primitiva
F(x) = 5·ln x
Evaluar en los límites
I = 5·(ln 2 − ln 1) = 5·ln 2 = 3,466
Respuesta
I = 3,466
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) = 216
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 + 5)3·2
Sustituir
f′(−1) = 4·33·2 = 216
Respuesta
f′(−1) = 216
6.Derivadas
Respuesta: b = −28
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) = 17
f′(x) = 6x − 3 → f′(3) = 15
Recta tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 17 − 15·3 = −28
Respuesta
b = −28
7.Métodos numéricos
Respuesta: S = 0,7776
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.
Esta integral no tiene primitiva elemental, que es justo cuando hace falta una regla numérica.
8.Métodos numéricos
Respuesta: y1 = 2,636
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.