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)6Ta​14 °C22 °C

Una lata de refresco a 6 °C se saca del frigorífico a una habitación a 28 °C. Al cabo de 6 min su temperatura es 14 °C. Sigue la ley de enfriamiento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). ¿Cuánto tiempo después del inicio, t, tarda en alcanzar 22 °C?

T0 = 6 °CTa = 28 °CT(6) = 14 °CT = 22 °C
t = min
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
tyK = 1y(1,5) = ?

Un sistema obedece y″ + 4y′ + 13y = 13 para t ≥ 0, partiendo del reposo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Halla y(1,5); ángulos en radianes.

y″ + 4y′ + 13y = 13y(0) = 0y′(0) = 0
y(1.5) =
3.IntegralesMedia
xy02

Calcula I = ∫02 e0,5x dx.

f(x) = e0,5x[0, 2]
I =
4.IntegralesDifícil
xy−11

Calcula el área A de la región entre la parábola y = 1 − x² y el eje x.

y = 1 − x²
A =
5.DerivadasMedia
xyx = 3

Sea f(x) = ln(2x2 + 5). Calcula f′(3).

f(x) = ln(2x2 + 5)x = 3
f′(3) =
6.DerivadasDifícil
xyx = −1

La recta tangente a f(x) = 3x2 − 2x − 5 en x = −1 corta el eje y en y = b. Calcula b.

f(x) = 3x2 − 2x − 5x = −1
b =
7.Métodos numéricosMedia
xy00,250,50,751

Aproxima ∫01 1/(1 + x³) dx con la regla de Simpson usando n = 4 franjas. Da S.

f(x) = 1/(1 + x³)[a, b] = [0, 1]n = 4
S =
8.Métodos numéricosDifícil
00,050,10,150,20,50,60,7ty(0, 0,5)

Da un paso del método clásico de Runge–Kutta (RK4) con h = 0,2 para y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 0,5. Halla y₁ ≈ y(0,2).

y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0,5h = 0,2
y1 =

3Disoluciones

1.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: t = 17,25 min

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.

Constante de enfriamiento

k = ln(-22/-14)/6 = 0,07533 min⁻¹

Tiempo hasta alcanzar el objetivo

t = ln(-22/(−6))/0,07533 = 17,25 min

Respuesta

t = 17,25 min
2.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(1.5) = 1,043

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 = 1, r = −2 ± 3j

Constantes a partir de los valores iniciales

y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −2A + 3B = 0 → B = −0,6667

Evalúa

y(1,5) = 1·(1 − e−3(cos 4,5 + 0,6667·sin 4,5)) = 1,043

Respuesta

y(1,5) = 1,043
3.Integrales

Respuesta: I = 3,437

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) = e0,5x/0,5

Evaluar en los límites

I = (e1 − 1)/0,5 = (2,718 − 1)/0,5 = 3,437

Respuesta

I = 3,437
4.Integrales

Respuesta: A = 1,333

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.

Ceros

1 − x² = 0 → x = ±1

Integrar

A = [1x − x³/3]−11 = 0,6667 − (−0,6667) = 1,333

Respuesta

A = 1,333
5.Derivadas

Respuesta: f′(3) = 0,5217

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 para el logaritmo

f′(x) = 4x/(2x2 + 5)

Sustituir

f′(3) = 12/23 = 0,5217

Respuesta

f′(3) = 0,5217
6.Derivadas

Respuesta: b = −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.

Punto y pendiente

f(−1) = 0
f′(x) = 6x − 2 → f′(−1) = −8

Recta tangente en x = 0

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 0 − (−8)·(−1) = −8

Respuesta

b = −8
7.Métodos numéricos

Respuesta: S = 0,8358

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)peso001110,250,984615420,50,888889230,750,7032974410,51

Nodos y valores

h = 0,25
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0,984615 + 2·0,888889 + 4·0,703297 + 0,5 = 10,029426

Regla de Simpson

S = (0,25/3)·10,029426 = 0,8358

Respuesta

S = 0,8358

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

8.Métodos numéricos

Respuesta: y1 = 0,7128

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.

Cuatro pendientes

k₁ = f(0, 0,5) = 1
k₂ = f(0,1, 0,6) = 1,059964
k₃ = f(0,1, 0,605996) = 1,060563
k₄ = f(0,2, 0,712113) = 1,141942

Combina

y₁ = 0,5 + (0,2/6)(1 + 2·1,059964 + 2·1,060563 + 1,141942) = 0,7128

Respuesta

y1 = 0,7128

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