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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′ + 5y = 0 con y(0) = 5 e y′(0) = -4. Halla y(1,5).
y″ + 6y′ + 5y = 0y(0) = 5y′(0) = -4
y(1.5) =
2.Ecuaciones diferencialesDifícil
Resuelve el problema de valor inicial y′ + 2y/x = 1 para x > 0, con y(1) = 0. Halla y(2).
y′ + 2y/x = 1y(1) = 0
y(2) =
3.Matrices y determinantesMedia
Sea C = AB para las matrices mostradas. Calcula el elemento c11 (fila 1, columna 1).
A = [5 −4; 4 5]B = [0 2; 1 1]
c11 =
4.Matrices y determinantesDifícil
Resuelve el sistema 6x − y = −11 y −x + 4y = −8. Calcula x.
6x − y = −11−x + 4y = −8
x =
5.Vectores: producto escalar y vectorialMedia
Halla la proyección escalar compb a de a = (−2, 2, 3) sobre b = (4, 6, 6), es decir, la componente de a en la dirección de b.
a = (−2, 2, 3)b = (4, 6, 6)
compb a =
6.Vectores: producto escalar y vectorialDifícil
El vector unitario n̂ es perpendicular a a = (1, 0, 3) y a b = (−2, 4, −4) y tiene componente z positiva. Halla su componente y n̂y.
a = (1, 0, 3)b = (−2, 4, −4)n̂z > 0
n̂y =
7.IntegralesMedia
Calcula I = ∫14 3/x dx.
f(x) = 3/x[1, 4]
I =
8.IntegralesDifícil
Calcula el área A de la región encerrada entre y = 2x2 e y = x.
y = 2x2y = x
A =
9.Cálculo multivariableMedia
Usa el plano tangente de f(x, y) = 2 ln(x² + 3y²) en (1, 0,5) para aproximar f(1,2, 0,55). Da la aproximación lineal L.
f(x, y) = x³ + y³ + 9xy tiene un punto crítico en (−3, −3). Calcula allí el discriminante D = fxxfyy − fxy².
f(x, y) = x³ + y³ + 9xyP = (−3, −3)
D =
11.Sucesiones y seriesMedia
La serie de potencias Σk=1∞ (1/2)ᵏ·(x − 1)ᵏ/(k + 1) converge en un intervalo alrededor de x₀ = 1. Halla el extremo derecho x de ese intervalo.
Σ (1/2)ᵏ·(x − 1)ᵏ/(k + 1)x₀ = 1
x =
12.Sucesiones y seriesDifícil
Halla el coeficiente c₃ de (x − 4)³ en la serie de Taylor de f(x) = √x alrededor de a = 4.
f(x) = √xa = 4k = 3
c₃ =
13.Transformadas de LaplaceMedia
F(s) = 16/(s² + 10s + 21). Su transformada inversa tiene la forma f(t) = A·e−3t + B·e−7t. Halla el coeficiente A por fracciones parciales.
F(s) = 16/(s² + 10s + 21)
A =
14.Transformadas de LaplaceDifícil
Un sistema cumple y″ + 3y′ + 2y = 8·u(t), con y(0) = 3 e y′(0) = 0. En t = 0 se aplica una entrada escalón u(t) = 10. Usa la transformada de Laplace para hallar y(0,5).
El pulso x(t) = 1 para 0 ≤ t < 4 s se convoluciona con h(t), un triángulo que baja linealmente de 3 en t = 0 a 0 en t = 4 s. Halla el área Ay bajo y(t) = x(t) ∗ h(t).
x(t) = 1, 0 ≤ t < 4 sh(0) = 3, h(4) = 0
Ay =
16.Convolución y sistemas LTIDifícil
Un sistema obedece y[n] = 0,5·y[n − 1] + 0,5·x[n] y parte del reposo. La entrada es el escalón unitario x[n] = u[n]. Halla y[3].
y[n] = 0,5y[n − 1] + 0,5x[n]x[n] = u[n]
y[3] =
3Disoluciones
1.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(1.5) = 1,171
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.
Raíces características
(r + 1)(r + 5) = 0 → r = −1, −5
Constantes a partir de los valores iniciales
A + B = 5, −1A − 5B = -4
A = 5,25, B = −0,25
Evalúa
y(1,5) = 5,25·e−1,5 + (−0,25)·e−7,5 = 1,171
Respuesta
y(1,5) = 1,171
2.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(2) = 0,5833
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∫2/x dx = x2
Integrar
(x2y)′ = x2 → x2y = 1x3/3 + C
Condición inicial
0 = 1/3 + C → C = −0,3333
Evalúa
y(2) = (1·23/3 + (−0,3333))/22 = 0,5833
Respuesta
y(2) = 0,5833
3.Matrices y determinantes
Respuesta: c11 = −4
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 = 5·0 + (−4)·1 = −4
Respuesta
c11 = −4
4.Matrices y determinantes
Respuesta: x = −2,261
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 = 6·4 − (−1)·(−1) = 23
Sustituir la columna de x
det Aₓ = (−11)·4 − (−1)·(−8) = −52
x = −52/23 = −2,261
Respuesta
x = −2,261
y = −2,565
5.Vectores: producto escalar y vectorial
Respuesta: compb a = 2,345
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)·4 + 2·6 + 3·6 = 22
Longitud de b
|b| = √(4² + 6² + 6²) = 9,381
Proyección escalar
compb a = a·b/|b| = 22/9,381 = 2,345
Respuesta
compb a = 2,345
6.Vectores: producto escalar y vectorial
Respuesta: n̂y = −0,1562
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) = 3·ln x
Evaluar en los límites
I = 3·(ln 4 − ln 1) = 3·ln 4 = 4,159
Respuesta
I = 4,159
8.Integrales
Respuesta: A = 0,04167
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.
Puntos de corte
2x2 = x → x = 0, x = 0,5
Integrar superior menos inferior
A = [0,5x2 − 0,6667x3]00,5 = 0,04167
Respuesta
A = 0,04167
9.Cálculo multivariable
Respuesta: L = 1,748
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, 0,5) = 1,119
fx = 4x/(x² + 3y²) → fx(1, 0,5) = 2,286
fy = 12y/(x² + 3y²) → fy(1, 0,5) = 3,429
Plano tangente
z = 1,119 + 2,286(x − 1) + 3,429(y − 0,5)
z = 2,286x + 3,429y − 2,881
Aproximación lineal
L = 1,119 + 2,286·0,2 + 3,429·0,05 = 1,748
Respuesta
L = 1,748
El valor exacto es f = 1,706702; el plano se aproxima bien porque el incremento es pequeño.
10.Cálculo multivariable
Respuesta: D = 243
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 = −18, fyy = −18, fxy = 9
Discriminante
D = (−18)·(−18) − 9² = 243
→ máximo local
Respuesta
D = 243
11.Sucesiones y series
Respuesta: x = 3
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
ck/ck+1 = (1/(1/2))·(k + 2)/(k + 1) → 2
Radio
R = 2
Intervalo
−1 < x < 3
x = 3
Respuesta
x = 3
El criterio del cociente no dice nada en los dos extremos; hay que comprobarlos por separado.
12.Sucesiones y series
Respuesta: c₃ = 0,001953
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⁽³⁾
f⁽³⁾(x) = 0,375·x1/2 − 3
Coeficiente
c₃ = 0,375·41/2 − 3/3! = 0,001953
c₃ = 0,001953
Respuesta
c₃ = 0,001953
13.Transformadas de Laplace
Respuesta: A = 4
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 + 10s + 21 = (s + 3)(s + 7)
F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 7)
Regla del tapado
Multiplica por (s + 3) y haz s = −3: el término de B se anula.
A = 16/(s + 7) |s = −3 = 16/4 = 4
Respuesta
A = 4
(B = −4, así que f(t) = 4·e−3t − 4·e−7t)
14.Transformadas de Laplace
Respuesta: y(0.5) = 8,728
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 + 3s + 2)·Y(s) = 3s + 9 + 80/s
Y(s) = (3s² + 9s + 80)/(s(s + 1)(s + 2))
Fracciones parciales
A = 80/(1·2) = 40
B = 74/((−1)·1) = −74
C = 74/((−2)·(−1)) = 37
Resultado
y(t) = 40 − 74·e−t + 37·e−2t
y(0,5) = 8,728
Respuesta
y(0,5) = 8,728
Comprueba: y(0) = A + B + C = 3.
15.Convolución y sistemas LTI
Respuesta: Ay = 24
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 = 1·4 = 4
∫h dt = ½·4·3 = 6
Área de la salida
Ay = 4·6 = 24
Respuesta
Ay = 24
16.Convolución y sistemas LTI
Respuesta: y[3] = 0,9375
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)|.