Métodos numéricos: pack de repaso

Hojas de fórmulas, los pasos clave de los métodos de cada tema y 8 problemas de práctica, con las soluciones completas al final.

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1Fórmulas y métodos

Métodos numéricos

Bisección
c = (a + b)/2, width after n steps (b − a)/2ⁿ
Newton–Raphson
xn+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
Interpolación lineal
y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
Regla del trapecio
T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2fn−1 + fₙ], h = (b − a)/n
Regla de Simpson (n par)
S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4fn−1 + fₙ]
Cota del error del trapecio
|E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
Euler
yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
Heun
yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + hk₁)
RK4
yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)

Método

  1. Para una raíz: comprueba el cambio de signo en la bisección, o calcula f y f′ en Newton, y conserva seis o más cifras en una tabla de iteraciones.
  2. Para un valor de una tabla: interpola linealmente entre los dos puntos vecinos.
  3. Para una integral: halla h = (b − a)/n, lista f en cada nodo, aplica los pesos (1, 2, …, 2, 1 para el trapecio; 1, 4, 2, …, 4, 1 para Simpson con n par) y multiplica por h/2 o h/3.
  4. Para una EDO: avanza desde t₀ con yₙ₊₁ = yₙ + h·f(tₙ, yₙ) (Euler) o con la pendiente promediada (Heun), una fila por paso, hasta llegar al t pedido.

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

  1. Identifica el tipo: aritmética (diferencia constante), geométrica (razón constante), una serie estándar, una serie de potencias o un polinomio de Taylor.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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)!.

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)

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

2Problemas de práctica

1.Métodos numéricosMedia
xy00,33330,666711,3331,6672

Aproxima ∫02 e−x² dx con la regla del trapecio usando n = 6 franjas. Da T.

f(x) = e−x²[a, b] = [0, 2]n = 6
T =
2.Métodos numéricosDifícil
00,20,40,623ty(0, 2)

Usa el método de Heun (Euler mejorado) con h = 0,2 para y′ = y − t², y(0) = 2 para estimar y3 ≈ y(0,6).

y′ = y − t²y(0) = 2h = 0,2
y3 =
3.Sucesiones y seriesMedia
kSn​12345678910S = ?

Halla la suma S = Σk=1∞ 5/(k(k + 2)).

ak = 5/(k(k + 2))
S =
4.Sucesiones y seriesDifícil
xyfP₄1,5

Usa el polinomio de Maclaurin de grado 4 de f(x) = cos(−x) para aproximar f(1,5). Da P₄(1,5).

f(x) = cos(−x)n = 4x = 1,5
P₄(1.5) =
5.Matrices y determinantesMedia
A =2−6−4−3B =3−104

Sea C = AB para las matrices mostradas. Calcula el elemento c21 (fila 2, columna 1).

A = [2 −6; −4 −3]B = [3 −1; 0 4]
c21 =
6.Matrices y determinantesDifícil
A =−614−1b =812

Resuelve el sistema −6x + y = 8 y 4x − y = 12. Calcula x.

−6x + y = 84x − y = 12
x =
7.Ecuaciones diferencialesMedia
t (min)T (°C)37Ta​354 °C442 °C

Una pieza de acero forjado a 500 °C se deja enfriar en un taller a 28 °C. Al cabo de 37 min su temperatura es 354 °C. Sigue la ley de enfriamiento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). ¿Cuánto tiempo después del inicio, t, tarda en alcanzar 442 °C?

T0 = 500 °CTa = 28 °CT(37) = 354 °CT = 442 °C
t = min
8.Ecuaciones diferencialesDifícil
tyy(0) = 1y(1,5) = ?

Resuelve y″ + 3y′ + 27,25y = 0 con y(0) = 1 e y′(0) = 0 (soltado desde el reposo). Halla y(1,5); ángulos en radianes.

y″ + 3y′ + 27,25y = 0y(0) = 1y′(0) = 0
y(1.5) =

3Disoluciones

1.Métodos numéricos

Respuesta: T = 0,8814

Integración numérica: divide [a, b] en n franjas de anchura h = (b − a)/n con nodos x₀ … xₙ. Regla del trapecio: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2fn−1 + fₙ]. Regla de Simpson (n par): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4fn−1 + fₙ]. El error del trapecio disminuye como h² (cota (b − a)h²·M/12 con M = max|f″|) y el de Simpson como h⁴, así que Simpson suele ser mucho más preciso con los mismos nodos.

ixᵢf(xᵢ)peso001110,3333330,894839220,6666670,641182310,367879241,3333330,169013251,6666670,06217652620,01831561

Nodos y valores

h = 0,3333
Σ wᵢfᵢ = 1 + 2·0,894839 + 2·0,64118 + 2·0,367879 + 2·0,169013 + 2·0,0621765 + 0,0183156 = 5,288494

Regla del trapecio

T = (0,3333/2)·5,288494 = 0,8814

Respuesta

T = 0,8814

Esta integral no tiene primitiva elemental, que es justo cuando hace falta una regla numérica.

2.Métodos numéricos

Respuesta: y3 = 3,545

Solución numérica de y′ = f(t, y): el método de Euler avanza según la pendiente al inicio de cada paso: yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ). El método de Heun (Euler mejorado) promedia la pendiente al inicio y en una predicción de Euler: k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂). El método clásico de Runge–Kutta (RK4) combina cuatro pendientes: yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄). El error global de Euler es proporcional a h, el de Heun a h² y el de RK4 a h⁴.

ntₙyₙk₁k₂yₙ₊₁00222,362,43610,22,4362,3962,75522,9511220,42,951122,791123,1493443,545166

Pasos de Heun

y₁ = 2 + (0,2/2)(2 + 2,36) = 2,436
y₂ = 2,436 + (0,2/2)(2,396 + 2,7552) = 2,95112
y₃ = 2,95112 + (0,2/2)(2,79112 + 3,149344) = 3,545166
00,20,40,623ty

Gráfico

y3 = 3,545

Respuesta

y3 = 3,545

El valor exacto es y(0,6) = 3,56.

3.Sucesiones y series

Respuesta: S = 3,75

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

5/(k(k + 2)) = (5/2)·(1/k − 1/(k + 2))

Cancelar

S = (5/2)·(1 + 1/2) = 3,75

Respuesta

S = 3,75
4.Sucesiones y series

Respuesta: P₄(1.5) = 0,08594

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

P₄(x) = 1 − 0,5x² + 0,04167x⁴

Sustituir

P₄(1,5) = 1 − 1,125 + 0,210938 = 0,08594

Respuesta

P₄(1,5) = 0,08594

El valor exacto es f(1,5) = 0,0707372; el error −0,0152003 disminuye si tomas más términos o un punto más cercano a 0.

5.Matrices y determinantes

Respuesta: c21 = −12

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 = (−4)·3 + (−3)·0 = −12

Respuesta

c21 = −12
6.Matrices y determinantes

Respuesta: x = −10

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)·(−1) − 1·4 = 2

Sustituir la columna de x

det Aₓ = 8·(−1) − 1·12 = −20
x = −20/2 = −10

Respuesta

x = −10
y = −52
7.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: t = 13,11 min

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.

Constante de enfriamiento

k = ln(472/326)/37 = 0,01 min⁻¹

Tiempo hasta alcanzar el objetivo

t = ln(472/414)/0,01 = 13,11 min

Respuesta

t = 13,11 min
8.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(1.5) = 0,06619

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 complejas

r = −1,5 ± 5j

Constantes

A = 1, B = 1,5·1/5 = 0,3

Evalúa

y(1,5) = e−2,25(1·cos 7,5 + 0,3·sin 7,5) = 0,06619

Respuesta

y(1,5) = 0,06619

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