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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
Matrices y determinantes
determinante 2×2
det = ad − bc
Inversa de 2×2
A⁻¹ = (1/det)·[d −b; −c a]
Producto
(AB)ij = Σk AikBkj
Valores propios
det(A − λI) = 0
Regla de Cramer
xi = det(Ai)/det(A)
Vectores: producto escalar y vectorial
Módulo
|a| = √(ax² + ay² + az²)
Vector unitario
û = a/|a|
Componentes a partir de un ángulo
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
Producto escalar
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
Proyección escalar de a sobre b
a·b/|b|
Trabajo
W = F·d
Producto vectorial
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
Áreas
paralelogramo |a × b|, triángulo ½|a × b|
Momento respecto a O
MO = r × F, r = A − O
Volumen de un paralelepípedo
V = |a·(b × c)|
Método
Escribe cada vector en componentes; para una fuerza dada por un módulo y un ángulo, usa F·cos θ y F·sin θ.
Para longitudes y direcciones usa el módulo √(x² + y² + z²) y el vector unitario a/|a|.
Usa el producto escalar para ángulos, proyecciones, perpendicularidad y trabajo: a·b = |a||b|cos θ.
Usa el producto vectorial para vectores perpendiculares, áreas y momentos: escribe con cuidado las tres componentes, manteniendo el orden a × b.
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
Reescribe el integrando como suma de términos sencillos siempre que puedas.
Aplica la regla de la potencia: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), y las integrales inmediatas de ex, 1/x, sin y cos.
Usa un cambio de variable cuando veas una función junto con su derivada.
En una integral definida, calcula F(b) − F(a).
Cálculo multivariable
Derivadas parciales
fx = ∂f/∂x (y constant), fxy = fyx
Gradiente
∇f = (fx, fy), largest slope |∇f|
Derivada direccional
Duf = ∇f·u, u = v/|v|
Plano tangente
z = f(a, b) + fx(x − a) + fy(y − b)
Regla de la cadena
dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt
Criterio de la segunda derivada
D = fxxfyy − fxy²: D > 0, fxx > 0 minimum; D > 0, fxx < 0 maximum; D < 0 saddle
Integral doble
∬R f dA = ∫ab∫g(x)h(x) f dy dx
Coordenadas polares
x = r cos θ, y = r sin θ, dA = r dr dθ
Método
En una derivada parcial, trata la otra variable como una constante y usa las reglas de una variable.
En las preguntas de gradiente calcula ∇f = (fx, fy) en el punto; usa |∇f| para la pendiente máxima y ∇f·u con un vector unitario u para una derivada direccional.
Para los extremos resuelve fx = 0 y fy = 0 a la vez y luego clasifica cada punto con D = fxx·fyy − fxy².
En una integral doble dibuja la región, elige el orden (o coordenadas polares para los discos) de modo que los límites interiores sean las curvas que la acotan, e integra primero la interior.
Sucesiones y series
Sucesión aritmética
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
Sucesión geométrica
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
Series geométricas infinitas
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
Serie p
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
Criterio del cociente
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Radio de convergencia
R = lim |ck/ck+1|
Polinomio de Taylor
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
Serie de Maclaurin
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
Cota del error de Lagrange
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!
Método
Identifica el tipo: aritmética (diferencia constante), geométrica (razón constante), una serie estándar, una serie de potencias o un polinomio de Taylor.
Para las sumas usa Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r), o S = a₁/(1 − r) cuando |r| < 1, con a₁ el primer término de la suma.
Para la convergencia: primero el criterio del término n-ésimo, luego compara con Σ1/kᵖ o con una serie geométrica, y usa el criterio del cociente o de la raíz para factoriales y potencias k-ésimas.
Para los polinomios de Taylor enumera f(a), f′(a), f″(a), …, divide la derivada k-ésima entre k! y acota el error con M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!.
Convolución y sistemas LTI
Convolución discreta
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
Convolución continua
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
Longitud y suma
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
Inicio, final y área
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
Escalón sobre e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
Sistema de primer orden
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
Recursión de primer orden
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
Sinusoide a través de h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
Amplitudes de la serie de Fourier
cuadrada ±A: 4A/(kπ), k impar; triangular ±A: 8A/(π²k²), k impar; tren de pulsos: A·D y (2A/(kπ))|sin kπD|
Método
Dibuja ambas señales y anota dónde es distinta de cero cada una.
Invierte h y deslízala: para cada instante de salida, halla el rango donde ambas señales se solapan.
Multiplica y suma (discreto) o multiplica e integra (continuo) solo en ese solapamiento.
Comprueba el resultado: la salida empieza en la suma de los instantes iniciales, termina en la suma de los instantes finales, y su área o suma es el producto de las áreas o sumas de las entradas.
2Problemas de práctica
1.Ecuaciones diferencialesMedia
Una taza de café a 91 °C se deja en una habitación a 19 °C. Al cabo de 20 min su temperatura es 29 °C. Sigue la ley de enfriamiento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). ¿Cuánto tiempo después del inicio, t, tarda en alcanzar 60 °C?
T0 = 91 °CTa = 19 °CT(20) = 29 °CT = 60 °C
t = min
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
Un depósito contiene 1000 L de agua en la que hay disueltos 5 kg de sal. Entra salmuera con 0,25 kg de sal por litro a 10 L/min, y la disolución bien mezclada sale al mismo caudal. ¿Al cabo de cuántos minutos t contiene el depósito 103 kg de sal?
V = 1000 Lm0 = 5 kgc = 0,25 kg/Lr = 10 L/min
t = min
3.Matrices y determinantesMedia
Sea C = AB para las matrices mostradas. Calcula el elemento c21 (fila 2, columna 1).
A = [−3 −2; 5 5]B = [−1 −5; −1 2]
c21 =
4.Matrices y determinantesDifícil
Resuelve el sistema −2x + 5y = −3 y −5x + 6y = −8. Calcula x.
−2x + 5y = −3−5x + 6y = −8
x =
5.Vectores: producto escalar y vectorialMedia
Halla el ángulo θ entre los vectores a = (−3, −3, −2) y b = (−1, 4, −4), en grados.
a = (−3, −3, −2)b = (−1, 4, −4)
θ = °
6.Vectores: producto escalar y vectorialDifícil
El vector unitario n̂ es perpendicular a a = (−1, 5, 2) y a b = (2, −4, −3) y tiene componente z positiva. Halla su componente x n̂x.
a = (−1, 5, 2)b = (2, −4, −3)n̂z > 0
n̂x =
7.IntegralesMedia
Calcula I = ∫₀1 x·sin x dx (x en radianes).
∫₀1 x·sin x dx
I =
8.IntegralesDifícil
Calcula el área A de la región entre la parábola y = 1 − x² y el eje x.
y = 1 − x²
A =
9.Cálculo multivariableMedia
Para f(x, y) = 4x²y − 4x³ + 2y³ + xy, halla la derivada direccional Duf en P(1, 1) en la dirección hacia Q(5, 5).
Calcula I = ∬R xy dA, donde R es la región comprendida entre la parábola y = x² y la recta y = 3x.
y = x²y = 3xf = xy
I =
11.Sucesiones y seriesMedia
Halla la suma S = Σk=139 6/(k(k + 1)).
ak = 6/(k(k + 1))n = 39
S =
12.Sucesiones y seriesDifícil
Usa el polinomio de Maclaurin de grado 3 de f(x) = ln(1 + x) para aproximar f(0,5). Da P₃(0,5).
f(x) = ln(1 + x)n = 3x = 0,5
P₃(0.5) =
13.Transformadas de LaplaceMedia
Halla f(t) para F(s) = (2s + 20)/(s² + 4s + 20) completando el cuadrado, y evalúa f(1).
F(s) = (2s + 20)/(s² + 4s + 20)t = 1 s
f(1) =
14.Transformadas de LaplaceDifícil
Un sistema se describe con la ecuación diferencial y″ + 2y′ + 5y = 5u, con entrada u(t) y salida y(t). Halla su función de transferencia G(s) = Y(s)/U(s) (condiciones iniciales nulas) y evalúa la respuesta al impulso g(t) en t = 0,75 s. Halla g(0,75).
y″ + 2y′ + 5y = 5ut = 0,75 s
g(0.75) =
15.Convolución y sistemas LTIMedia
Un sistema tiene la respuesta al impulso h(t) = e−5tu(t). La entrada es un escalón x(t) = 1·u(t). Halla la salida y(0,2) en t = 0,2 s.
h(t) = e−5tu(t)x(t) = 1·u(t)t = 0,2 s
y(0.2) =
16.Convolución y sistemas LTIDifícil
Un sistema obedece y[n] = 0,6·y[n − 1] + 4·x[n] y parte del reposo. La entrada es el escalón unitario x[n] = u[n]. Halla y[5].
y[n] = 0,6y[n − 1] + 4x[n]x[n] = u[n]
y[5] =
3Disoluciones
1.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: t = 5,705 min
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.
Constante de enfriamiento
k = ln(72/10)/20 = 0,0987 min⁻¹
Tiempo hasta alcanzar el objetivo
t = ln(72/41)/0,0987 = 5,705 min
Respuesta
t = 5,705 min
2.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: t = 51,08 min
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.
Resultado
m(t) = 250 + (−245)·e−t/100
Despeja t
e−t/100 = (250 − 103)/(250 − 5) = 0,6
t = 100·ln(1,667) = 51,08 min
Respuesta
t = 51,08 min
3.Matrices y determinantes
Respuesta: c21 = −10
Matrices: el determinante de una matriz 2×2 es ad − bc. En 3×3, desarrolla por una fila: cada elemento por el determinante de la matriz 2×2 que queda al quitar su fila y su columna, con signos alternos + − +. Los valores propios λ cumplen det(A − λI) = 0; en 2×2 es λ² − (traza)·λ + det = 0.
Fila por columna
c21 = 5·(−1) + 5·(−1) = −10
Respuesta
c21 = −10
4.Matrices y determinantes
Respuesta: x = 1,692
Matrices: el determinante de una matriz 2×2 es ad − bc. En 3×3, desarrolla por una fila: cada elemento por el determinante de la matriz 2×2 que queda al quitar su fila y su columna, con signos alternos + − +. Los valores propios λ cumplen det(A − λI) = 0; en 2×2 es λ² − (traza)·λ + det = 0.
Determinante de la matriz de coeficientes
det A = (−2)·6 − 5·(−5) = 13
Sustituir la columna de x
det Aₓ = (−3)·6 − 5·(−8) = 22
x = 22/13 = 1,692
Respuesta
x = 1,692
y = 0,07692
5.Vectores: producto escalar y vectorial
Respuesta: θ = 92,13 °
Dot product:a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ, a scalar. It gives the angle between two vectors, cos θ = a·b/(|a|·|b|), and it is zero when they are perpendicular. The scalar projection of a onto b is a·b/|b|, and a constant force F moving through a displacement d does work W = F·d.
Producto escalar
a·b = (−3)·(−1) + (−3)·4 + (−2)·(−4) = −1
Módulos
|a| = √((−3)² + (−3)² + (−2)²) = 4,69
|b| = √((−1)² + 4² + (−4)²) = 5,745
Ángulo
cos θ = −1/(4,69·5,745) = −0,03711
θ = arccos(−0,03711) = 92,13°
Respuesta
θ = 92,13°
6.Vectores: producto escalar y vectorial
Respuesta: n̂x = 0,7548
Cross product:a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx) is perpendicular to both vectors, and |a × b| = |a|·|b|·sin θ is the area of the parallelogram they span (the triangle has half of it). Order matters: b × a = −(a × b). The moment of a force F applied at point A about point O is MO = r × F, with r = A − O.
Producto vectorial
(a × b)x = aybz − azby = 5·(−3) − 2·(−4) = −7
(a × b)y = azbx − axbz = 2·2 − (−1)·(−3) = 1
(a × b)z = axby − aybx = (−1)·(−4) − 5·2 = −6
Normalizar
La componente z de a × b es negativa, así que usa −(a × b).
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 = x, du = dx; dv = sin x dx, v = −cos x
Primitiva
∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x
Límites
(−1·cos 1 + sin 1) − (0 + 0) = 0,3012
Respuesta
I = 0,3012
8.Integrales
Respuesta: A = 1,333
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
1 − x² = 0 → x = ±1
Integrar
A = [1x − x³/3]−11 = 0,6667 − (−0,6667) = 1,333
Respuesta
A = 1,333
9.Cálculo multivariable
Respuesta: Duf = 5,657
Gradiente: ∇f = (fx, fy) apunta en la dirección de máximo crecimiento, y |∇f| es la mayor tasa de variación. La derivada direccional a lo largo de una dirección v es Duf = ∇f·u con el vector unitario u = v/|v|. El plano tangente en (a, b) es z = f(a, b) + fx(a, b)(x − a) + fy(a, b)(y − b); da la aproximación lineal de f cerca de ese punto. Regla de la cadena: dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt.
Gradiente en el punto
fx = 8xy − 12x² + y → fx(1, 1) = −3
fy = 4x² + 6y² + x → fy(1, 1) = 11
Vector unitario
|v| = √(4² + 4²) = 5,657
u = (0,7071, 0,7071)
Producto escalar
Duf = (−3)·0,7071 + 11·0,7071 = 5,657
Respuesta
Duf = 5,657
10.Cálculo multivariable
Respuesta: I = 30,38
Puntos críticos e integrales dobles: un punto crítico cumple fx = fy = 0. Criterio de la segunda derivada con D = fxxfyy − fxy²: D > 0 y fxx > 0 es un mínimo local, D > 0 y fxx < 0 un máximo local, D < 0 un punto de silla, y D = 0 no decide nada. En una integral doble sobre una región general, los límites interiores son las curvas que acotan la región; para discos y sectores usa coordenadas polares, x = r cos θ, y = r sin θ y dA = r dr dθ (no olvides el factor r).
Intersecciones
x² = 3x → x = 0, x = 3
Integral interior
∫x²3x xy dy = x·(9x² − x⁴)/2
Integral exterior
I = ∫03 (9x³ − x⁵)/2 dx = 30,38
Respuesta
I = 30,38
11.Sucesiones y series
Respuesta: S = 5,85
Convergencia: si los términos no tienden a 0, la serie diverge (criterio del término n-ésimo). Σ1/kᵖ converge solo para p > 1, y Σrᵏ solo para |r| < 1. Compara una serie con una de estas cuando sus términos se comporten como ellas para k grande. Criterio del cociente: L = lim |ak+1/ak|; criterio de la raíz: L = lim |ak|1/k. L < 1 converge, L > 1 diverge, L = 1 no decide nada. Una serie de potencias Σck(x − x₀)ᵏ converge para |x − x₀| < R con R = lim |ck/ck+1|; una serie alternada con términos decrecientes hacia 0 converge.
Fracciones parciales
6/(k(k + 1)) = 6·(1/k − 1/(k + 1))
Cancelar
S = 6·(1 − 1/40) = 5,85
Respuesta
S = 5,85
12.Sucesiones y series
Respuesta: P₃(0.5) = 0,4167
Polinomios de Taylor: cerca de x = a una función suave se aproxima por Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n!; para a = 0 es el polinomio de Maclaurin. Series estándar: eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + x⁵/5! − …, cos x = 1 − x²/2! + x⁴/4! − …, ln(1 + x) = x − x²/2 + x³/3 − …, 1/(1 − x) = Σxᵏ. Cota del error de Lagrange: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!, donde M es el mayor valor de |f⁽ⁿ⁺¹⁾| entre a y x.
Polinomio de Maclaurin
P₃(x) = x − 0,5x² + 0,3333x³
Sustituir
P₃(0,5) = 0,5 − 0,125 + 0,0416667 = 0,4167
Respuesta
P₃(0,5) = 0,4167
El valor exacto es f(0,5) = 0,405465; el error −0,0112016 disminuye si tomas más términos o un punto más cercano a 0.
13.Transformadas de Laplace
Respuesta: f(1) = −0,5866
Transformada de Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt convierte las derivadas en multiplicaciones por s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pares estándar: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), y un desplazamiento s → s + σ multiplica la función temporal por e−σt. Para invertir una F(s) racional, descomponla en fracciones parciales: el residuo de un polo simple p es A = [(s − p)·F(s)] en s = p. Teorema del valor final: f(∞) = lims→0 s·F(s), válido solo cuando todos los polos de s·F(s) están en el semiplano izquierdo. Teorema del valor inicial: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Transformada de Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt convierte las derivadas en multiplicaciones por s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pares estándar: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), y un desplazamiento s → s + σ multiplica la función temporal por e−σt. Para invertir una F(s) racional, descomponla en fracciones parciales: el residuo de un polo simple p es A = [(s − p)·F(s)] en s = p. Teorema del valor final: f(∞) = lims→0 s·F(s), válido solo cuando todos los polos de s·F(s) están en el semiplano izquierdo. Teorema del valor inicial: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Función de transferencia
G(s) = Y(s)/U(s) = 5/(s² + 2s + 5)
Fracciones parciales
s² + 2s + 5 = (s + 1)² + 2²
G(s) = (5/2)·2/((s + 1)² + 2²)
Respuesta al impulso
g(t) = e−t·(2,5·sin 2t)
g(0,75) = 1,178
Respuesta
g(0,75) = 1,178
15.Convolución y sistemas LTI
Respuesta: y(0.2) = 0,1264
Convolución continua: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. Invierte h, desplázala hasta la posición t e integra el producto de las partes que se solapan. Para señales causales la integral va de 0 a t. Resultados útiles: el área de y es el área de x por el área de h; si x dura de t₁ a t₂ y h de t₃ a t₄, y dura de t₁ + t₃ a t₂ + t₄. Para h(t) = e−atu(t) y un escalón de altura A, y(t) = (A/a)(1 − e−at).
Convolución con un escalón
y(t) = 1·∫₀ᵗ e−5τ dτ = (1/5)·(1 − e−5t)
Evalúa
y(0,2) = 0,2·(1 − e−1) = 0,1264
Respuesta
y(0,2) = 0,1264
16.Convolución y sistemas LTI
Respuesta: y[5] = 9,533
Respuesta al impulso y serie de Fourier: la respuesta al impulso h(t) describe por completo un sistema LTI: para y′ + a·y = b·x es h(t) = b·e−atu(t), y para y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] es h[n] = b·aⁿu[n]. Una sinusoide cos ωt pasa con ganancia |H(jω)| y fase ∠H(jω), donde H es la transformada de Fourier de h. Una señal periódica es una suma de armónicos a k/T: una onda cuadrada de ±A tiene solo armónicos impares con amplitudes 4A/(kπ), una onda triangular de pico A tiene 8A/(π²k²), y un tren de pulsos de altura A y ciclo de trabajo D tiene el valor medio A·D y los armónicos (2A/(kπ))·|sin(kπD)|.