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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) = 5 e y′(0) = 4. Halla y(1,5).
y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 5y′(0) = 4
y(1.5) =
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
Un depósito contiene 200 L de agua pura. Entra salmuera con 0,25 kg de sal por litro a 5 L/min, y la disolución bien mezclada sale al mismo caudal. ¿Cuánta sal m hay en el depósito al cabo de 60 min?
V = 200 Lm0 = 0 kgc = 0,25 kg/Lr = 5 L/min
m = kg
3.Matrices y determinantesMedia
Sea C = AB para las matrices mostradas. Calcula el elemento c22 (fila 2, columna 2).
A = [−6 −4; 3 −3]B = [0 2; 1 −1]
c22 =
4.Matrices y determinantesDifícil
Calcula el valor propio mayor λ de la matriz A mostrada.
A = [−2 1; −7 6]
λ =
5.Vectores: producto escalar y vectorialMedia
Halla el ángulo θ entre los vectores a = (−1, 4, 2) y b = (5, −6, 2), en grados.
a = (−1, 4, 2)b = (5, −6, 2)
θ = °
6.Vectores: producto escalar y vectorialDifícil
Halla el área A del triángulo de vértices A(3, 3, 3), B(4, 0, −2) y C(1, −4, 1). Las coordenadas están en metros.
A(3, 3, 3)B(4, 0, −2)C(1, −4, 1)
A = m²
7.IntegralesMedia
Calcula I = ∫24 2/x dx.
f(x) = 2/x[2, 4]
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
z = 3 sin(−3x − y) con x = −2t + 1 e y = 2t². Usa la regla de la cadena para hallar dz/dt en t = 1.
z = 3 sin(−3x − y)x = −2t + 1y = 2t²t = 1
dz/dt =
10.Cálculo multivariableDifícil
Los puntos marcados son los puntos críticos de f(x, y) = −x³ + 27x − y² + 4y. Haz clic en el máximo local.
f(x, y) = −x³ + 27x − y² + 4y
1A (3, 2)
2B (−3, 2)
11.Sucesiones y seriesMedia
Halla la suma S = Σk=1∞ 6/(k(k + 1)).
ak = 6/(k(k + 1))
S =
12.Sucesiones y seriesDifícil
Usa el polinomio de Maclaurin de grado 2 de f(x) = cos x para aproximar f(1). Da P₂(1).
f(x) = cos xn = 2x = 1
P₂(1) =
13.Transformadas de LaplaceMedia
Halla f(t) para F(s) = (5s + 13)/(s² + 4s + 4) y evalúa f(0,75).
F(s) = (5s + 13)/(s² + 4s + 4)t = 0,75 s
f(0.75) =
14.Transformadas de LaplaceDifícil
Un sistema cumple y″ + 7y′ + 12y = 48·u(t). Parte del reposo (y(0) = 0, y′(0) = 0) y la entrada es un escalón u(t) = 10 para t ≥ 0. Usa la transformada de Laplace para hallar la salida y(0,1).
El pulso x(t) = 2 para 0 ≤ t < 2 s (cero en el resto) se aplica a un sistema con h(t) = e−1tu(t). Halla la salida y(3,5) en t = 3,5 s, cuando el pulso ya ha terminado.
x(t) = 2, 0 ≤ t < 2 sh(t) = e−1tu(t)t = 3,5 s
y(3.5) =
16.Convolución y sistemas LTIDifícil
Un sistema obedece y[n] = −0,8·y[n − 1] + 3·x[n] y parte del reposo. La entrada es el escalón unitario x[n] = u[n]. Halla y[4].
y[n] = −0,8y[n − 1] + 3x[n]x[n] = u[n]
y[4] =
3Disoluciones
1.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(1.5) = 0,3722
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) = 5
y′(0) = B − 3A → B = 4 + 15 = 19
Evalúa
y(1,5) = (5 + 19·1,5)·e−4,5 = 0,3722
Respuesta
y(1,5) = 0,3722
2.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: m = 38,84 kg
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.
Plantea la ecuación
dm/dt = 5·0,25 − (5/200)·m = 1,25 − 0,025·m
Resuelve
El factor integrante es ert/V; la solución tiende al equilibrio c·V.
m(t) = 50 + (−50)·e−t/40
Sustituye t
m(60) = 50 + (−50)·0,2231 = 38,84 kg
Respuesta
m = 38,84 kg
3.Matrices y determinantes
Respuesta: c22 = 9
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
c22 = 3·2 + (−3)·(−1) = 9
Respuesta
c22 = 9
4.Matrices y determinantes
Respuesta: λ = 5
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 − (4)λ + (−5) = 0
Resuelve
λ = (4 ± √(36))/2 → λ = −1, 5
λ = 5
Respuesta
λ = 5
5.Vectores: producto escalar y vectorial
Respuesta: θ = 132,6 °
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 = (−1)·5 + 4·(−6) + 2·2 = −25
Módulos
|a| = √((−1)² + 4² + 2²) = 4,583
|b| = √(5² + (−6)² + 2²) = 8,062
Ángulo
cos θ = −25/(4,583·8,062) = −0,6767
θ = arccos(−0,6767) = 132,6°
Respuesta
θ = 132,6°
6.Vectores: producto escalar y vectorial
Respuesta: A = 16,99 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.
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) = 2·ln x
Evaluar en los límites
I = 2·(ln 4 − ln 2) = 2·ln 2 = 1,386
Respuesta
I = 1,386
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: dz/dt = 3,242
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(1) = −1, y(1) = 2
dx/dt = −2, dy/dt = 4t = 4
Derivadas parciales
fx = −9 cos(−3x − y) = −4,863
fy = −3 cos(−3x − y) = −1,621
Regla de la cadena
dz/dt = (−4,863)·(−2) + (−1,621)·4 = 3,242
Respuesta
dz/dt = 3,242
10.Cálculo multivariable
Respuesta: A (3, 2)
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).
Puntos críticos
Resuelve fx = 0 y fy = 0 a la vez.
fx = −(3x² − 27) = 0
fy = −(2y − 4) = 0
(3, 2), (−3, 2)
Criterio de la segunda derivada
(3, 2): fxx = −18, fyy = −2, fxy = 0, D = 36 → máximo local
(−3, 2): fxx = 18, fyy = −2, fxy = 0, D = −36 → punto de silla
El punto
A (3, 2): máximo local
Respuesta
A (3, 2)
11.Sucesiones y series
Respuesta: S = 6
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 = 6
Respuesta
S = 6
12.Sucesiones y series
Respuesta: P₂(1) = 0,5
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
P₂(x) = 1 − 0,5x²
Sustituir
P₂(1) = 1 − 0,5 = 0,5
Respuesta
P₂(1) = 0,5
El valor exacto es f(1) = 0,540302; el error 0,0403023 disminuye si tomas más términos o un punto más cercano a 0.
13.Transformadas de Laplace
Respuesta: f(0.75) = 1,618
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).
Factoriza el denominador
s² + 4s + 4 = (s + 2)²
Fracciones parciales
5s + 13 = 5(s + 2) + 3
F(s) = 5/(s + 2) + 3/(s + 2)²
Transformada inversa
f(t) = 5·e−2t + 3·t·e−2t
f(0,75) = (5 + 3·0,75)·e−2·0,75 = 1,618
Respuesta
f(0,75) = 1,618
14.Transformadas de Laplace
Respuesta: y(0.1) = 1,907
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
Y(s) = 480/(s(s + 3)(s + 4))
Fracciones parciales
A = 480/(3·4) = 40
B = 480/((−3)·1) = −160
C = 480/((−4)·(−1)) = 120
Pérdidas
y(t) = 40 − 160·e−3t + 120·e−4t
y(0,1) = 1,907
Respuesta
y(0,1) = 1,907
15.Convolución y sistemas LTI
Respuesta: y(3.5) = 0,3859
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(2) = (2/1)(1 − e−2) = 1,729
Decaimiento tras el pulso
y(3,5) = 1,729·e−1·1,5 = 0,3859
Respuesta
y(3,5) = 0,3859
16.Convolución y sistemas LTI
Respuesta: y[4] = 2,213
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)|.