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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 92 °C se deja en una habitación a 24 °C. Sigue la ley de enfriamiento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Con k = 0,08 min⁻¹, halla su temperatura T al cabo de 10 min.
T0 = 92 °CTa = 24 °Ck = 0,08 min⁻¹t = 10 min
T = °C
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
Resuelve el problema de valor inicial y′ + y/x = 5 para x > 0, con y(1) = −1. Halla y(2).
y′ + y/x = 5y(1) = −1
y(2) =
3.Matrices y determinantesMedia
Sea C = AB para las matrices mostradas. Calcula el elemento c11 (fila 1, columna 1).
A = [1 −1; −3 3]B = [−1 5; −4 0]
c11 =
4.Matrices y determinantesDifícil
Calcula el valor propio mayor λ de la matriz A mostrada.
A = [−2 2; −5 5]
λ =
5.Vectores: producto escalar y vectorialMedia
Halla el ángulo θ entre los vectores a = (−2, 6, 5) y b = (−2, 0, 3), en grados.
a = (−2, 6, 5)b = (−2, 0, 3)
θ = °
6.Vectores: producto escalar y vectorialDifícil
Halla el área A del triángulo de vértices A(1, −1, −4), B(−1, 4, 0) y C(2, 4, 4). Las coordenadas están en metros.
A(1, −1, −4)B(−1, 4, 0)C(2, 4, 4)
A = m²
7.IntegralesMedia
Calcula I = ∫01 2x·(x² + 1)2 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)2[0, 1]
I =
8.IntegralesDifícil
La región entre la recta y = 4x y la parábola y = 3x² gira alrededor del eje x. Halla el volumen V del sólido.
y = 4xy = 3x²
V =
9.Cálculo multivariableMedia
z = −x²y³ + 5x³ + y³ − 4xy con x = −2t + 2 e y = −t² − 2. Usa la regla de la cadena para hallar dz/dt en t = 0.
Usa coordenadas polares para calcular I = ∬R (x² + y²) dA, donde R es la mitad superior del disco x² + y² ≤ 9 (y ≥ 0).
f = x² + y²0 ≤ r ≤ 30 ≤ θ ≤ π
I =
11.Sucesiones y seriesMedia
Halla el radio de convergencia R de la serie de potencias Σk=1∞ 25ᵏx²ᵏ/k.
Σ 25ᵏx²ᵏ/kx₀ = 0
R =
12.Sucesiones y seriesDifícil
Reconoce la serie y halla su suma: S = Σk=0∞ (−1)ᵏ·0,82k/(2k)!.
ak = (−1)ᵏ·0,82k/(2k)!
S =
13.Transformadas de LaplaceMedia
Halla f(t) para F(s) = (4s + 2)/(s² + 4s + 13) completando el cuadrado, y evalúa f(0,8).
F(s) = (4s + 2)/(s² + 4s + 13)t = 0,8 s
f(0.8) =
14.Transformadas de LaplaceDifícil
Un sistema cumple y″ + 10y′ + 24y = 72·u(t), con y(0) = 4 e y′(0) = 0. En t = 0 se aplica una entrada escalón u(t) = 1. Usa la transformada de Laplace para hallar y(0,1).
La entrada x(t) = 5·e−3tu(t) se aplica a un sistema con h(t) = e−1tu(t). Halla la salida y(1) en t = 1 s.
x(t) = 5·e−3tu(t)h(t) = e−1tu(t)t = 1 s
y(1) =
16.Convolución y sistemas LTIDifícil
La entrada x(t) = 10·cos(10t) se aplica a un sistema con h(t) = 2·e−10tu(t). Halla la fase φ de la salida en régimen permanente respecto a la entrada, en grados.
h(t) = 2e−10tu(t)x(t) = 10cos(10t)
φ = °
3Disoluciones
1.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: T = 54,55 °C
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.
Solución de la ley de enfriamiento
T(t) = 24 + 68·e−0,08t
Sustituye t
T(10) = 24 + 68·0,4493 = 54,55 °C
Respuesta
T = 54,55 °C
2.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(2) = 3,25
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 = e∫1/x dx = x1
Integrar
(x1y)′ = 5x → x1y = 5x2/2 + C
Condición inicial
−1 = 5/2 + C → C = −3,5
Evalúa
y(2) = (5·22/2 + (−3,5))/21 = 3,25
Respuesta
y(2) = 3,25
3.Matrices y determinantes
Respuesta: c11 = 3
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
c11 = 1·(−1) + (−1)·(−4) = 3
Respuesta
c11 = 3
4.Matrices y determinantes
Respuesta: λ = 3
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.
Ecuación característica
λ² − (3)λ + (0) = 0
Resuelve
λ = (3 ± √(9))/2 → λ = 0, 3
λ = 3
Respuesta
λ = 3
5.Vectores: producto escalar y vectorial
Respuesta: θ = 49,18 °
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)·(−2) + 6·0 + 5·3 = 19
Módulos
|a| = √((−2)² + 6² + 5²) = 8,062
|b| = √((−2)² + 0² + 3²) = 3,606
Ángulo
cos θ = 19/(8,062·3,606) = 0,6536
θ = arccos(0,6536) = 49,18°
Respuesta
θ = 49,18°
6.Vectores: producto escalar y vectorial
Respuesta: A = 16,01 m²
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.
Vectores de las aristas
AB = B − A = (−2, 5, 4)
AC = C − A = (1, 5, 8)
Producto vectorial
(AB × AC)x = AByACz − ABzACy = 5·8 − 4·5 = 20
(AB × AC)y = ABzACx − ABxACz = 4·1 − (−2)·8 = 20
(AB × AC)z = ABxACy − AByACx = (−2)·5 − 5·1 = −15
|AB × AC| = √(20² + 20² + (−15)²) = 32,02
Área del triángulo
A = ½·32,02 = 16,01 m²
Respuesta
A = 16,01 m²
7.Integrales
Respuesta: I = 2,333
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.
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
8.Integrales
Respuesta: V = 15,89
Volúmenes de revolución: al girar alrededor del eje x la región bajo y = f(x) desde x = a hasta x = b se obtiene un sólido cuya sección transversal en x es un disco de radio f(x). Sumando los discos se obtiene V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Cuando la región está entre una curva exterior R(x) y una curva interior r(x), cada rebanada es una arandela: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Eleva los radios al cuadrado antes de restarlos.
Puntos de corte
4x = 3x² → x = 0, x = 1,333
Método de las arandelas
V = π∫₀1,333 ((4x)² − (3x²)²) dx
Integrar
V = π(16·1,333³/3 − 9·1,333⁵/5) = π·5,057 = 15,89
Respuesta
V = 15,89
9.Cálculo multivariable
Respuesta: dz/dt = −200
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.
Punto y tasas de variación
x(0) = 2, y(0) = −2
dx/dt = −2, dy/dt = −2t = 0
Derivadas parciales
fx = −2xy³ + 15x² − 4y = 100
fy = −3x²y² + 3y² − 4x = −44
Regla de la cadena
dz/dt = 100·(−2) + (−44)·0 = −200
Respuesta
dz/dt = −200
10.Cálculo multivariable
Respuesta: I = 63,62
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).
Forma polar
I = ∫0π ∫03 r²·r dr dθ
Integrar
∫ r²·r dr = [r⁴/4]
I = 63,62
Respuesta
I = 63,62
11.Sucesiones y series
Respuesta: R = 0,2
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.
Coeficientes
La serie está en x²: converge para 25·x² < 1, es decir |x| < 1/5.
Radio
R = 0,2
Respuesta
R = 0,2
El criterio del cociente no dice nada en los dos extremos; hay que comprobarlos por separado.
12.Sucesiones y series
Respuesta: S = 0,6967
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.
Series estándar
Σ (−1)ᵏx2k/(2k)! = cos x
Sustituir
x = 0,8
S = cos 0,8 = 0,6967
Respuesta
S = 0,6967
13.Transformadas de Laplace
Respuesta: f(0.8) = −0,8683
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 + 10s + 24)·Y(s) = 4s + 40 + 72/s
Y(s) = (4s² + 40s + 72)/(s(s + 4)(s + 6))
Fracciones parciales
A = 72/(4·6) = 3
B = −24/((−4)·2) = 3
C = −24/((−6)·(−2)) = −2
Resultado
y(t) = 3 + 3·e−4t − 2·e−6t
y(0,1) = 3,913
Respuesta
y(0,1) = 3,913
Comprueba: y(0) = A + B + C = 4.
15.Convolución y sistemas LTI
Respuesta: y(1) = 0,7952
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).
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)|.