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″ + 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
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
Calcula I = ∫14 1/x dx.
f(x) = 1/x[1, 4]
I =
4.IntegralesDifícil
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
Sea f(x) = ln(x2 + 2). Calcula f′(2).
f(x) = ln(x2 + 2)x = 2
f′(2) =
6.DerivadasDifícil
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
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
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.
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.