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″ + 5y′ + 6y = 0 con y(0) = 1 e y′(0) = 1. Halla y(1,5).
y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = 1y′(0) = 1
y(1.5) =
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
Un sistema obedece y″ + 3y′ + 18,25y = 182,5 para t ≥ 0, partiendo del reposo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Halla el valor máximo ymax de su respuesta al escalón.
y″ + 3y′ + 18,25y = 182,5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntegralesMedia
Calcula I = ∫01 ex dx.
f(x) = ex[0, 1]
I =
4.IntegralesDifícil
Calcula el área A de la región encerrada entre y = 2x2 e y = 4x.
y = 2x2y = 4x
A =
5.DerivadasMedia
Sea f(x) = x·e−0,5x. Calcula f′(1).
f(x) = x·e−0,5xx = 1
f′(1) =
6.DerivadasDifícil
Sea f(x) = x3 − 10,5x2 + 36x + 4. Calcula la coordenada x x del máximo local.
f(x) = x3 − 10,5x2 + 36x + 4
x =
7.Métodos numéricosMedia
Aproxima ∫14 1/x dx con la regla del trapecio, n = 4, y compárala con el valor exacto. Halla el error absoluto |E| = |T − I|.
f(x) = 1/x[a, b] = [1, 4]n = 4
|E| =
8.Métodos numéricosDifícil
Usa el método de Euler con h = 0,5 para y′ = cos t − y, y(0) = 0,5 para estimar y4 ≈ y(2).
y′ = cos t − yy(0) = 0,5h = 0,5
y4 =
3Disoluciones
1.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(1.5) = 0,1658
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 + 2)(r + 3) = 0 → r = −2, −3
Constantes a partir de los valores iniciales
A + B = 1, −2A − 3B = 1
A = 4, B = −3
Evalúa
y(1,5) = 4·e−3 + (−3)·e−4,5 = 0,1658
Respuesta
y(1,5) = 0,1658
2.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: ymax = 13,08
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.
Valor estacionario y raíces
yss = 10, r = −1,5 ± 4j
Constantes a partir de los valores iniciales
y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −1,5A + 4B = 0 → B = −3,75
Pico
t = π/4 = 0,7854
ymax = 10·(1 + e−1,5·π/4) = 13,08
Respuesta
ymax = 13,08
3.Integrales
Respuesta: I = 1,718
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) = ex/1
Evaluar en los límites
I = (e1 − 1)/1 = (2,718 − 1)/1 = 1,718
Respuesta
I = 1,718
4.Integrales
Respuesta: A = 2,667
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.
Puntos de corte
2x2 = 4x → x = 0, x = 2
Integrar superior menos inferior
A = [2x2 − 0,6667x3]02 = 2,667
Respuesta
A = 2,667
5.Derivadas
Respuesta: f′(1) = 0,3033
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′ = e−0,5x·(1 + (−0,5)·x)
Sustituir
f′(1) = 0,6065·(1 + (−0,5)) = 0,3033
Respuesta
f′(1) = 0,3033
6.Derivadas
Respuesta: x = 3
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 − 21x + 36 = 3·(x2 − 7x + 12)
Resolver f′(x) = 0
x = 3 o x = 4
Cuál es cuál
f″(x) = 6x − 21: negativa en un máximo, positiva en un mínimo.
f″(3) = −3, f″(4) = 3
x = 3
Respuesta
x = 3
7.Métodos numéricos
Respuesta: |E| = 0,0418
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.
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.