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
tyy(0) = 5y(0,5) = ?

Resuelve y″ + 3y′ + 2y = 0 con y(0) = 5 e y′(0) = -4. Halla y(0,5).

y″ + 3y′ + 2y = 0y(0) = 5y′(0) = -4
y(0.5) =
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
xy13(1, 0)y(3) = ?

Resuelve el problema de valor inicial y′ + 3y/x = 3x para x > 0, con y(1) = 0. Halla y(3).

y′ + 3y/x = 3xy(1) = 0
y(3) =
3.IntegralesMedia
xy14

Calcula I = ∫14 1/x dx.

f(x) = 1/x[1, 4]
I =
4.IntegralesDifícil
xy1,333y = 4xy = 3x²

La región entre la recta y = 4x y la parábola y = 3x² gira alrededor del eje x. Halla el volumen V del sólido.

y = 4xy = 3x²
V =
5.DerivadasMedia
xyx = 2

Sea f(x) = ln(x2 + 2). Calcula f′(2).

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

La recta tangente a f(x) = −x2 − 2x + 4 en x = 3 corta el eje y en y = b. Calcula b.

f(x) = −x2 − 2x + 4x = 3
b =
7.Métodos numéricosMedia
xy00,51

Aproxima ∫01 e−x² dx con la regla de Simpson usando n = 2 franjas. Da S.

f(x) = e−x²[a, b] = [0, 1]n = 2
S =
8.Métodos numéricosDifícil
00,10,20,30,9970,9980,9991ty(0, 1)

Usa el método de Euler con h = 0,1 para y′ = cos t − y, y(0) = 1 para estimar y3 ≈ y(0,3).

y′ = cos t − yy(0) = 1h = 0,1
y3 =

3Disoluciones

1.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(0.5) = 3,271

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 + 1)(r + 2) = 0 → r = −1, −2

Constantes a partir de los valores iniciales

A + B = 5, −1A − 2B = -4
A = 6, B = −1

Evalúa

y(0,5) = 6·e−0,5 + (−1)·e−1 = 3,271

Respuesta

y(0,5) = 3,271
2.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(3) = 5,378

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 = e∫3/x dx = x3

Integrar

(x3y)′ = 3x4 → x3y = 3x5/5 + C

Condición inicial

0 = 3/5 + C → C = −0,6

Evalúa

y(3) = (3·35/5 + (−0,6))/33 = 5,378

Respuesta

y(3) = 5,378
3.Integrales

Respuesta: I = 1,386

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) = ln x

Evaluar en los límites

I = (ln 4 − ln 1) = ln 4 = 1,386

Respuesta

I = 1,386
4.Integrales

Respuesta: V = 15,89

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

4x = 3x² → x = 0, x = 1,333

Método de las arandelas

V = π∫₀1,333 ((4x)² − (3x²)²) dx

Integrar

V = π(16·1,333³/3 − 9·1,333⁵/5) = π·5,057 = 15,89

Respuesta

V = 15,89
5.Derivadas

Respuesta: f′(2) = 0,6667

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) = 2x/(x2 + 2)

Sustituir

f′(2) = 4/6 = 0,6667

Respuesta

f′(2) = 0,6667
6.Derivadas

Respuesta: b = 13

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) = −11
f′(x) = −2x − 2 → f′(3) = −8

Recta tangente en x = 0

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −11 − (−8)·3 = 13

Respuesta

b = 13
7.Métodos numéricos

Respuesta: S = 0,7472

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)peso001110,50,7788014210,3678791

Nodos y valores

h = 0,5
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0,778801 + 0,367879 = 4,483083

Regla de Simpson

S = (0,5/3)·4,483083 = 0,7472

Respuesta

S = 0,7472

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

8.Métodos numéricos

Respuesta: y3 = 0,9976

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.

ntₙyₙf(tₙ, yₙ)yₙ₊₁0010110,11−0,004995830,999520,20,9995−0,01943380,997557

Pasos de Euler

y₁ = 1 + 0,1·(0) = 1
y₂ = 1 + 0,1·(−0,00499583) = 0,9995
y₃ = 0,9995 + 0,1·(−0,0194338) = 0,997557
00,10,20,30,9970,9980,9991ty

Gráfico

y3 = 0,9976

Respuesta

y3 = 0,9976

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