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) = 3 e y′(0) = 2. Halla y(0,5).
y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 3y′(0) = 2
y(0.5) =
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
Resuelve y″ + 3y′ + 11,25y = 0 con y(0) = 5 e y′(0) = 0 (soltado desde el reposo). Halla y(0,75); ángulos en radianes.
y″ + 3y′ + 11,25y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(0.75) =
3.IntegralesMedia
Calcula I = ∫01 2x·(x² + 1)2 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)2[0, 1]
I =
4.IntegralesDifícil
Calcula I = ∫₀3 x²·eˣ dx.
∫₀3 x²eˣ dx
I =
5.DerivadasMedia
Sea f(x) = ln(3x2 + 4). Calcula f′(−1).
f(x) = ln(3x2 + 4)x = −1
f′(−1) =
6.DerivadasDifícil
La recta tangente a f(x) = 2x2 + 5x + 6 en x = 2 corta el eje y en y = b. Calcula b.
f(x) = 2x2 + 5x + 6x = 2
b =
7.Métodos numéricosMedia
Se usa la regla del trapecio para ∫12 1/x dx. El error es como máximo (b − a)³·M/(12n²) con M = max|f″| en [1, 2]. Halla el menor número de franjas n que garantiza un error inferior a 0,001.
f(x) = 1/x[a, b] = [1, 2]ε = 0,001
n =
8.Métodos numéricosDifícil
Resuelve y′ = t − y, y(0) = 3 con el método de Euler y paso h = 0,2 hasta t = 0,8. La solución exacta es y = t − 1 + (y₀ + 1)e−t. Halla el error global |E| = |y(0,8) − y4|.
y′ = t − yy(0) = 3h = 0,2
|E| =
3Disoluciones
1.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(0.5) = 1,897
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) = 3
y′(0) = B − 3A → B = 2 + 9 = 11
Evalúa
y(0,5) = (3 + 11·0,5)·e−1,5 = 1,897
Respuesta
y(0,5) = 1,897
2.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(0.75) = −0,3882
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.
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.
Sustitución
u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫12 u2 du
Integrar y evaluar
I = [u3/3]12 = (8 − 1)/3 = 2,333
Respuesta
I = 2,333
4.Integrales
Respuesta: I = 98,43
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.
Primera vuelta
∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx
Segunda vuelta
∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)
Límites
20,09·(5) − 1·2 = 98,43
Respuesta
I = 98,43
5.Derivadas
Respuesta: f′(−1) = −0,8571
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) = 6x/(3x2 + 4)
Sustituir
f′(−1) = −6/7 = −0,8571
Respuesta
f′(−1) = −0,8571
6.Derivadas
Respuesta: b = −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.
Punto y pendiente
f(2) = 24
f′(x) = 4x + 5 → f′(2) = 13
Recta tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 24 − 13·2 = −2
Respuesta
b = −2
7.Métodos numéricos
Respuesta: n = 13
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 = 2/1³ = 2
Despejar n
n² > 1·2/(12·0,001) = 166,7
n > 12,91 → n = 13
Respuesta
n = 13
8.Métodos numéricos
Respuesta: |E| = 0,1589
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
y4 = 1,4384
Valor exacto
y(0,8) = 1,597316
Error global
|E| = |1,597316 − 1,4384| = 0,1589
Gráfico
Respuesta
|E| = 0,1589
Reducir h a la mitad reduce aproximadamente a la mitad el error del método de Euler.