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″ + 6y′ + 9y = 0 con y(0) = 5 e y′(0) = 1. Halla y(0,5).
y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 5y′(0) = 1
y(0.5) =
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
Resuelve y″ + 3y′ + 27,25y = 0 con y(0) = 2 e y′(0) = 0 (soltado desde el reposo). Halla y(0,75); ángulos en radianes.
y″ + 3y′ + 27,25y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(0.75) =
3.IntegralesMedia
Calcula I = ∫₁2 x·ln x dx.
∫₁2 x ln x dx
I =
4.IntegralesDifícil
La región entre la recta y = 5x y la parábola y = 3x² gira alrededor del eje x. Halla el volumen V del sólido.
y = 5xy = 3x²
V =
5.DerivadasMedia
Sea f(x) = x3·e2x. Calcula f′(1,5).
f(x) = x3·e2xx = 1,5
f′(1.5) =
6.DerivadasDifícil
Sea f(x) = x3 + 4,5x2 + 6x − 4. Calcula la coordenada x x del mínimo local.
f(x) = x3 + 4,5x2 + 6x − 4
x =
7.Métodos numéricosMedia
La velocidad de un vehículo se mide cada 1 s (tabla). Estima la distancia s recorrida de t = 0 a t = 4 s con la regla del trapecio.
h = 1 sn = 4
s = m
8.Métodos numéricosDifícil
Usa el método de Euler con h = 0,2 para y′ = −0,5y, y(0) = −1 para estimar y4 ≈ y(0,8).
y′ = −0,5yy(0) = −1h = 0,2
y4 =
3Disoluciones
1.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(0.5) = 2,901
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 + 3)² = 0 → r = −3
Constantes
A = y(0) = 5
y′(0) = B − 3A → B = 1 + 15 = 16
Evalúa
y(0,5) = (5 + 16·0,5)·e−1,5 = 2,901
Respuesta
y(0,5) = 2,901
2.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(0.75) = −0,6441
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.
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.
Elige u y dv
u = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2
Primitiva
∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4
Límites
(2·ln 2 − 1) − (0 − 0,25) = 0,6363
Respuesta
I = 0,6363
4.Integrales
Respuesta: V = 48,48
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
5x = 3x² → x = 0, x = 1,667
Método de las arandelas
V = π∫₀1,667 ((5x)² − (3x²)²) dx
Integrar
V = π(25·1,667³/3 − 9·1,667⁵/5) = π·15,43 = 48,48
Respuesta
V = 48,48
5.Derivadas
Respuesta: f′(1.5) = 271,2
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
f′(x) = u′v + uv′ = e2x·(3x2 + 2·x3)
Sustituir
f′(1,5) = 20,09·(6,75 + 6,75) = 271,2
Respuesta
f′(1,5) = 271,2
6.Derivadas
Respuesta: x = −1
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 + 9x + 6 = 3·(x2 + 3x + 2)
Resolver f′(x) = 0
x = −2 o x = −1
Cuál es cuál
f″(x) = 6x + 9: negativa en un máximo, positiva en un mínimo.
f″(−2) = −3, f″(−1) = 3
x = −1
Respuesta
x = −1
7.Métodos numéricos
Respuesta: s = 50,5 m
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.
Suma ponderada
6 + 2·10 + 2·12 + 2·17 + 17 = 101
Regla del trapecio
s = (1/2)·101 = 50,5 m
Respuesta
s = 50,5 m
8.Métodos numéricos
Respuesta: y4 = −0,6561
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.