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″ + 8y′ + 15y = 0 con y(0) = 3 e y′(0) = 6. Halla y(1).
y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = 3y′(0) = 6
y(1) =
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
Un depósito contiene 100 L de agua en la que hay disueltos 20 kg de sal. Entra salmuera con 0,05 kg de sal por litro a 4 L/min, y la disolución bien mezclada sale al mismo caudal. ¿Cuánta sal m hay en el depósito al cabo de 30 min?
V = 100 Lm0 = 20 kgc = 0,05 kg/Lr = 4 L/min
m = kg
3.IntegralesMedia
Calcula I = ∫₁1,5 x·ln x dx.
∫₁1,5 x ln x dx
I =
4.IntegralesDifícil
Calcula el área A de la región entre la parábola y = 4 − x² y el eje x.
y = 4 − x²
A =
5.DerivadasMedia
Sea f(x) = x·sin(x), con x en radianes. Calcula f′(2).
f(x) = x·sin(x)x = 2 rad
f′(2) =
6.DerivadasDifícil
Sea f(x) = x3 − 4,5x2 + 6x − 5. Calcula la coordenada x x del máximo local.
f(x) = x3 − 4,5x2 + 6x − 5
x =
7.Métodos numéricosMedia
Aproxima ∫02 √x·e−x dx con la regla del trapecio usando n = 6 franjas. Da T.
f(x) = √x·e−x[a, b] = [0, 2]n = 6
T =
8.Métodos numéricosDifícil
Usa el método de Euler con h = 0,5 para y′ = y − t², y(0) = 3 para estimar y4 ≈ y(2).
y′ = y − t²y(0) = 3h = 0,5
y4 =
3Disoluciones
1.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(1) = 0,4722
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 + 3)(r + 5) = 0 → r = −3, −5
Constantes a partir de los valores iniciales
A + B = 3, −3A − 5B = 6
A = 10,5, B = −7,5
Evalúa
y(1) = 10,5·e−3 + (−7,5)·e−5 = 0,4722
Respuesta
y(1) = 0,4722
2.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: m = 9,518 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 = 4·0,05 − (4/100)·m = 0,2 − 0,04·m
Resuelve
El factor integrante es ert/V; la solución tiende al equilibrio c·V.
m(t) = 5 + 15·e−t/25
Sustituye t
m(30) = 5 + 15·0,3012 = 9,518 kg
Respuesta
m = 9,518 kg
3.Integrales
Respuesta: I = 0,1436
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
(1,125·ln 1,5 − 0,5625) − (0 − 0,25) = 0,1436
Respuesta
I = 0,1436
4.Integrales
Respuesta: A = 10,67
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
4 − x² = 0 → x = ±2
Integrar
A = [4x − x³/3]−22 = 5,333 − (−5,333) = 10,67
Respuesta
A = 10,67
5.Derivadas
Respuesta: f′(2) = 0,077
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(x) + x·cos(x)
Sustituir
f′(2) = 0,9093 + 2·(−0,4161) = 0,077
Respuesta
f′(2) = 0,077
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 = 1 o x = 2
Cuál es cuál
f″(x) = 6x − 9: negativa en un máximo, positiva en un mínimo.
f″(1) = −3, f″(2) = 3
x = 1
Respuesta
x = 1
7.Métodos numéricos
Respuesta: T = 0,6149
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: y4 = 13,03
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.