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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
Resuelve y″ + 8y′ + 16y = 0 con y(0) = 3 e y′(0) = 1. Halla y(1).
y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 3y′(0) = 1
y(1) =
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
Resuelve y′ + y = 9e−2t con y(0) = 2. Halla y(1).
y′ + y = 9e−2ty(0) = 2
y(1) =
3.Matrices y determinantesMedia
Sea C = AB para las matrices mostradas. Calcula el elemento c21 (fila 2, columna 1).
A = [−2 2; −5 0]B = [−6 −2; −1 5]
c21 =
4.Matrices y determinantesDifícil
Resuelve el sistema −2x − 6y = −5 y 2x − 4y = −3. Calcula x.
−2x − 6y = −52x − 4y = −3
x =
5.Vectores: producto escalar y vectorialMedia
Halla el producto escalar a·b de a = (−2, 7, −7) y b = (−1, 2, 3).
a = (−2, 7, −7)b = (−1, 2, 3)
a·b =
6.Vectores: producto escalar y vectorialDifícil
Una fuerza F = (0, −40, −10) N actúa en el punto A(0, 3, 4). Las coordenadas están en metros. Halla el módulo |M| del momento de la fuerza respecto a el punto O(−2, −2, −3).
F = (0, −40, −10) NA(0, 3, 4) mO(−2, −2, −3) m
|M| = N·m
7.IntegralesMedia
Calcula I = ∫02 e0,5x dx.
f(x) = e0,5x[0, 2]
I =
8.IntegralesDifícil
Calcula el área A de la región entre la parábola y = 4 − x² y el eje x.
y = 4 − x²
A =
9.Cálculo multivariableMedia
El plano tangente a z = −4x²y² − 4x² − y³ + xy en el punto donde (x, y) = (−1, −1) se puede escribir como z = px + qy + c. Halla c.
f(x, y) = −4x²y² − 4x² − y³ + xy(a, b) = (−1, −1)
c =
10.Cálculo multivariableDifícil
f(x, y) = −x³ + 3x − y² − 4y tiene un punto crítico en (1, −2). Calcula allí el discriminante D = fxxfyy − fxy².
f(x, y) = −x³ + 3x − y² − 4yP = (1, −2)
D =
11.Sucesiones y seriesMedia
Exactamente una de las cuatro series converge. Haz clic en ella.
A: Σ (7/4)ᵏB: Σ 5/k⁴C: Σ (k + 5)/k²D: Σ 1/√k
1A: Σ (7/4)ᵏ
2B: Σ 5/k⁴
3C: Σ (k + 5)/k²
4D: Σ 1/√k
12.Sucesiones y seriesDifícil
f(x) = eˣ se aproxima por su polinomio de Maclaurin de grado 2 en x = 1,5. Usa la cota del error de Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! con M = e1,5 = 4,482 para hallar el mayor error posible |R₂|.
f(x) = eˣn = 2x = 1,5M = 4,482
|R₂| =
13.Transformadas de LaplaceMedia
Halla f(t) para F(s) = 55/(s(s + 3)(s + 4)) por fracciones parciales, y evalúa f(0,5).
F(s) = 55/(s(s + 3)(s + 4))t = 0,5 s
f(0.5) =
14.Transformadas de LaplaceDifícil
Un sistema cumple y″ + 4y′ + 3y = 3·u(t), con y(0) = 5 e y′(0) = 0. En t = 0 se aplica una entrada escalón u(t) = 10. Usa la transformada de Laplace para hallar y(1,2).
El pulso x(t) = 10 para 0 ≤ t < 1 s (cero en el resto) se aplica a un sistema con h(t) = e−1tu(t). Halla la salida y(2) en t = 2 s, cuando el pulso ya ha terminado.
x(t) = 10, 0 ≤ t < 1 sh(t) = e−1tu(t)t = 2 s
y(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[4].
y[n] = 0,6y[n − 1] + 4x[n]x[n] = u[n]
y[4] =
3Disoluciones
1.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(1) = 0,2931
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 + 4)² = 0 → r = −4
Constantes
A = y(0) = 3
y′(0) = B − 4A → B = 1 + 12 = 13
Evalúa
y(1) = (3 + 13·1)·e−4 = 0,2931
Respuesta
y(1) = 0,2931
2.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(1) = 2,829
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 = et
(ety)′ = 9e−t
Solución general
y = 9/(−1)·e−2t + C·e−t = −9·e−2t + C·e−t
Condición inicial
2 = −9 + C → C = 11
Evalúa
y(1) = −9·0,1353 + 11·0,3679 = 2,829
Respuesta
y(1) = 2,829
3.Matrices y determinantes
Respuesta: c21 = 30
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)·(−6) + 0·(−1) = 30
Respuesta
c21 = 30
4.Matrices y determinantes
Respuesta: x = 0,1
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)·(−4) − (−6)·2 = 20
Sustituir la columna de x
det Aₓ = (−5)·(−4) − (−6)·(−3) = 2
x = 2/20 = 0,1
Respuesta
x = 0,1
y = 0,8
5.Vectores: producto escalar y vectorial
Respuesta: a·b = −5
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.
Multiplica las componentes correspondientes y suma
Negativo: el ángulo entre los vectores es mayor de 90°.
6.Vectores: producto escalar y vectorial
Respuesta: |M| = 244,3 N·m
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.
Vector de posición de O a A
r = A − O = (0, 3, 4) − (−2, −2, −3) = (2, 5, 7) m
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) = e0,5x/0,5
Evaluar en los límites
I = (e1 − 1)/0,5 = (2,718 − 1)/0,5 = 3,437
Respuesta
I = 3,437
8.Integrales
Respuesta: A = 10,67
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
4 − x² = 0 → x = ±2
Integrar
A = [4x − x³/3]−22 = 5,333 − (−5,333) = 10,67
Respuesta
A = 10,67
9.Cálculo multivariable
Respuesta: c = 13
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.
Valor y pendientes en el punto
f(−1, −1) = −6
fx = −8xy² − 8x + y → fx(−1, −1) = 15
fy = −8x²y − 3y² + x → fy(−1, −1) = 4
Plano tangente
z = −6 + 15(x + 1) + 4(y + 1)
z = 15x + 4y + 13
Término constante
c = 13
Respuesta
c = 13
10.Cálculo multivariable
Respuesta: D = 12
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).
Derivadas segundas
fxx = −6, fyy = −2, fxy = 0
Discriminante
D = (−6)·(−2) − 0² = 12
→ máximo local
Respuesta
D = 12
11.Sucesiones y series
Respuesta: B: Σ 5/k⁴
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.
Prueba cada serie
A: Σ (7/4)ᵏ → Geométrica con r = 7/4 > 1: los términos crecen, así que diverge.
B: Σ 5/k⁴ → Serie p con p = 4 > 1: converge.
C: Σ (k + 5)/k² → Se comporta como 1/k para k grande: diverge por comparación con la serie armónica.
D: Σ 1/√k → Serie p con p = 1/2 ≤ 1: diverge.
La respuesta
B: Σ 5/k⁴
Respuesta
B: Σ 5/k⁴
12.Sucesiones y series
Respuesta: |R₂| = 2,521
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.
Cota de la derivada
M = e1,5 = 4,482
Cota de Lagrange
|R₂| ≤ 4,482·1,5³/3! = 2,521
Respuesta
|R₂| = 2,521
El error real es menor: |f(1,5) − P₂(1,5)| = 0,8567.
13.Transformadas de Laplace
Respuesta: f(0.5) = 2,353
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).
Transforma la ecuación
(s² + 4s + 3)·Y(s) = 5s + 20 + 30/s
Y(s) = (5s² + 20s + 30)/(s(s + 1)(s + 3))
Fracciones parciales
A = 30/(1·3) = 10
B = 15/((−1)·2) = −7,5
C = 15/((−3)·(−2)) = 2,5
Resultado
y(t) = 10 − 7,5·e−t + 2,5·e−3t
y(1,2) = 7,809
Respuesta
y(1,2) = 7,809
Comprueba: y(0) = A + B + C = 5.
15.Convolución y sistemas LTI
Respuesta: y(2) = 2,325
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).
Salida al final del pulso
y(1) = (10/1)(1 − e−1) = 6,321
Decaimiento tras el pulso
y(2) = 6,321·e−1·1 = 2,325
Respuesta
y(2) = 2,325
16.Convolución y sistemas LTI
Respuesta: y[4] = 9,222
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)|.