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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″ + 6y′ + 9y = 0 con y(0) = 1 e y′(0) = 0. Halla y(1).
y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 1y′(0) = 0
y(1) =
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
Resuelve y″ + 3y′ + 27,25y = 0 con y(0) = 3 e y′(0) = 0 (soltado desde el reposo). Halla y(0,75); ángulos en radianes.
y″ + 3y′ + 27,25y = 0y(0) = 3y′(0) = 0
y(0.75) =
3.Matrices y determinantesMedia
Calcula el determinante det A de la matriz 3×3 A mostrada.
A = [2 3 5; −3 1 2; −4 −5 2]
det A =
4.Matrices y determinantesDifícil
Resuelve el sistema −x − 4y = 5 y −x + 3y = −1. Calcula x.
−x − 4y = 5−x + 3y = −1
x =
5.Vectores: producto escalar y vectorialMedia
Halla la proyección escalar compb a de a = (−2, −2, −5) sobre b = (−6, 0, −5), es decir, la componente de a en la dirección de b.
a = (−2, −2, −5)b = (−6, 0, −5)
compb a =
6.Vectores: producto escalar y vectorialDifícil
Para a = (1, 1, −4) y b = (−4, 3, −2), halla la componente x (a × b)x del producto vectorial a × b.
a = (1, 1, −4)b = (−4, 3, −2)
(a × b)x =
7.IntegralesMedia
Calcula I = ∫02 e−0,5x dx.
f(x) = e−0,5x[0, 2]
I =
8.IntegralesDifícil
Calcula el área A de la región entre la parábola y = 9 − x² y el eje x.
y = 9 − x²
A =
9.Cálculo multivariableMedia
Para f(x, y) = 4x²y³ + 2x³ + 4xy, halla la derivada direccional Duf en (1, 2) en la dirección de v = (−1, 4).
f(x, y) = 4x²y³ + 2x³ + 4xyP = (1, 2)v = (−1, 4)
Duf =
10.Cálculo multivariableDifícil
La integral I = ∫00,8 ∫y0,8 ex² dx dy no se puede calcular en este orden. Invierte el orden de integración y calcúlala.
f = ex²0 ≤ y ≤ x ≤ 0,8
I =
11.Sucesiones y seriesMedia
Aplica el criterio del cociente a Σk=1∞ 3ᵏ·k!/kᵏ. Halla L = lim |ak+1/ak|.
ak = 3ᵏ·k!/kᵏ
L =
12.Sucesiones y seriesDifícil
Halla el coeficiente c₄ de (x − 1)⁴ en la serie de Taylor de f(x) = 1/x alrededor de a = 1.
f(x) = 1/xa = 1k = 4
c₄ =
13.Transformadas de LaplaceMedia
Halla f(t) para F(s) = 45/(s(s + 2)(s + 5)) por fracciones parciales, y evalúa f(0,25).
F(s) = 45/(s(s + 2)(s + 5))t = 0,25 s
f(0.25) =
14.Transformadas de LaplaceDifícil
Un sistema se describe con la ecuación diferencial y″ + 6y′ + 13y = u′ + 18u, 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 = 0,6 s. Halla g(0,6).
y″ + 6y′ + 13y = u′ + 18ut = 0,6 s
g(0.6) =
15.Convolución y sistemas LTIMedia
El pulso x(t) = 5 para 0 ≤ t < 2 s se convoluciona con el pulso h(t) = 4 para 0 ≤ t < 2 s. Halla el área Ay bajo y(t) = x(t) ∗ h(t).
x(t) = 5, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 4, 0 ≤ t < 2 s
Ay =
16.Convolución y sistemas LTIDifícil
Un sistema obedece y[n] = 0,5·y[n − 1] + 4·x[n] y parte del reposo. La entrada es el escalón unitario x[n] = u[n]. Halla y[2].
y[n] = 0,5y[n − 1] + 4x[n]x[n] = u[n]
y[2] =
3Disoluciones
1.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(1) = 0,1991
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) = 1
y′(0) = B − 3A → B = 0 + 3 = 3
Evalúa
y(1) = (1 + 3·1)·e−3 = 0,1991
Respuesta
y(1) = 0,1991
2.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(0.75) = −0,9662
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.
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.
Menores 2×2 de la primera fila
M₁₁ = 12, M₁₂ = 2, M₁₃ = 19
Desarrollo por cofactores
det A = 2·12 − 3·2 + 5·19 = 113
Respuesta
det A = 113
4.Matrices y determinantes
Respuesta: x = −1,571
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 = (−1)·3 − (−4)·(−1) = −7
Sustituir la columna de x
det Aₓ = 5·3 − (−4)·(−1) = 11
x = 11/(−7) = −1,571
Respuesta
x = −1,571
y = −0,8571
5.Vectores: producto escalar y vectorial
Respuesta: compb a = 4,737
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 = (−2)·(−6) + (−2)·0 + (−5)·(−5) = 37
Longitud de b
|b| = √((−6)² + 0² + (−5)²) = 7,81
Proyección escalar
compb a = a·b/|b| = 37/7,81 = 4,737
Respuesta
compb a = 4,737
6.Vectores: producto escalar y vectorial
Respuesta: (a × b)x = 10
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, componente a componente
(a × b)x = aybz − azby = 1·(−2) − (−4)·3 = 10
(a × b)y = azbx − axbz = (−4)·(−4) − 1·(−2) = 18
(a × b)z = axby − aybx = 1·3 − 1·(−4) = 7
Componente pedida
(a × b)x = 10
Respuesta
(a × b)x = 10
Comprueba: a × b es perpendicular a ambos vectores, así que su producto escalar con a y con b es cero.
7.Integrales
Respuesta: I = 1,264
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.
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
9 − x² = 0 → x = ±3
Integrar
A = [9x − x³/3]−33 = 18 − (−18) = 36
Respuesta
A = 36
9.Cálculo multivariable
Respuesta: Duf = 31,53
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 = 8xy³ + 6x² + 4y → fx(1, 2) = 78
fy = 12x²y² + 4x → fy(1, 2) = 52
Vector unitario
|v| = √((−1)² + 4²) = 4,123
u = (−0,2425, 0,9701)
Producto escalar
Duf = 78·(−0,2425) + 52·0,9701 = 31,53
Respuesta
Duf = 31,53
10.Cálculo multivariable
Respuesta: I = 0,4482
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).
Región
0 ≤ y ≤ x, 0 ≤ x ≤ 0,8
Orden invertido
I = ∫00,8 ∫0x ex² dy dx = ∫00,8 x·ex² dx
Sustitución u = x²
I = [ex²/2]00,8 = 0,4482
Respuesta
I = 0,4482
11.Sucesiones y series
Respuesta: L = 1,104
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.
Cociente de términos consecutivos
|ak+1/ak| = 3·(k/(k + 1))ᵏ = 3/(1 + 1/k)ᵏ → 3/e
Conclusión
L = 1,104 > 1
Respuesta
L = 1,104
L > 1, así que la serie diverge.
12.Sucesiones y series
Respuesta: c₄ = 1
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.
Derivada f⁽⁴⁾
f⁽⁴⁾(x) = 24/x⁵
Coeficiente
c₄ = 24/(1⁵·24) = 1
c₄ = 1
Respuesta
c₄ = 1
13.Transformadas de Laplace
Respuesta: f(0.25) = 0,8105
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).
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).
Áreas de las entradas
∫x dt = 5·2 = 10
∫h dt = 4·2 = 8
Área de la salida
Ay = 10·8 = 80
Respuesta
Ay = 80
16.Convolución y sistemas LTI
Respuesta: y[2] = 7
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)|.