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″ + 7y′ + 10y = 0 con y(0) = 1 e y′(0) = -2. Halla y(0,5).
La región entre la recta y = 6x y la parábola y = 3x² gira alrededor del eje x. Halla el volumen V del sólido.
y = 6xy = 3x²
V =
5.DerivadasMedia
Sea f(x) = x·sin(3x), con x en radianes. Calcula f′(0,5).
f(x) = x·sin(3x)x = 0,5 rad
f′(0.5) =
6.DerivadasDifícil
Sea f(x) = x3 − 15x2 + 63x − 6. Calcula la coordenada x x del máximo local.
f(x) = x3 − 15x2 + 63x − 6
x =
7.Métodos numéricosMedia
Se usa la regla del trapecio para ∫01 eˣ dx. El error es como máximo (b − a)³·M/(12n²) con M = max|f″| en [0, 1]. Halla el menor número de franjas n que garantiza un error inferior a 1 × 10⁻⁵.
f(x) = eˣ[a, b] = [0, 1]ε = 1 × 10⁻⁵
n =
8.Métodos numéricosDifícil
Resuelve y′ = 0,5y, y(0) = 0,5 con el método de Euler y paso h = 0,5 hasta t = 2,5. La solución exacta es y = y₀e0,5t. Halla el error global |E| = |y(2,5) − y5|.
y′ = 0,5yy(0) = 0,5h = 0,5
|E| =
3Disoluciones
1.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(0.5) = 0,3679
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 + 5) = 0 → r = −2, −5
Constantes a partir de los valores iniciales
A + B = 1, −2A − 5B = -2
A = 1, B = 0
Evalúa
y(0,5) = 1·e−1 + 0·e−2,5 = 0,3679
Respuesta
y(0,5) = 0,3679
2.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(1.5) = 2,052
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 = e0,5t
(e0,5ty)′ = 6e−2,5t
Solución general
y = 6/(−2,5)·e−3t + C·e−0,5t = −2,4·e−3t + C·e−0,5t
Condición inicial
2 = −2,4 + C → C = 4,4
Evalúa
y(1,5) = −2,4·0,01111 + 4,4·0,4724 = 2,052
Respuesta
y(1,5) = 2,052
3.Integrales
Respuesta: I = 3,219
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) = 2·ln x
Evaluar en los límites
I = 2·(ln 5 − ln 1) = 2·ln 5 = 3,219
Respuesta
I = 3,219
4.Integrales
Respuesta: V = 120,6
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.
Puntos de corte
6x = 3x² → x = 0, x = 2
Método de las arandelas
V = π∫₀2 ((6x)² − (3x²)²) dx
Integrar
V = π(36·2³/3 − 9·2⁵/5) = π·38,4 = 120,6
Respuesta
V = 120,6
5.Derivadas
Respuesta: f′(0.5) = 1,104
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 del producto y de la cadena
f′(x) = sin(3x) + 3x·cos(3x)
Sustituir
f′(0,5) = 0,9975 + 1,5·0,07074 = 1,104
Respuesta
f′(0,5) = 1,104
6.Derivadas
Respuesta: x = 3
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 − 30x + 63 = 3·(x2 − 10x + 21)
Resolver f′(x) = 0
x = 3 o x = 7
Cuál es cuál
f″(x) = 6x − 30: negativa en un máximo, positiva en un mínimo.
f″(3) = −12, f″(7) = 12
x = 3
Respuesta
x = 3
7.Métodos numéricos
Respuesta: n = 151
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.
Cota de la segunda derivada
M = e1 = 2,718
Despejar n
n² > 1·2,718/(12·1 × 10⁻⁵) = 22652
n > 150,5 → n = 151
Respuesta
n = 151
8.Métodos numéricos
Respuesta: |E| = 0,2193
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
y5 = 1,525879
Valor exacto
y(2,5) = 1,745171
Error global
|E| = |1,745171 − 1,525879| = 0,2193
Gráfico
Respuesta
|E| = 0,2193
Reducir h a la mitad reduce aproximadamente a la mitad el error del método de Euler.