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.

Problemas nuevosVolver a la asignatura

En la ventana de impresión, elige «Guardar como PDF» para conservar una copia en tu dispositivo.

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
t (s)01020304050v (m/s)775101415

La velocidad de un vehículo se mide cada 10 s (tabla). Estima la distancia s recorrida de t = 0 a t = 50 s con la regla del trapecio.

h = 10 sn = 5
s = m
2.Métodos numéricosDifícil
00,10,20,30,40,20,30,4ty(0, 0,2)

Usa el método de Heun (Euler mejorado) con h = 0,2 para y′ = y(2 − y), y(0) = 0,2 para estimar y2 ≈ y(0,4).

y′ = y(2 − y)y(0) = 0,2h = 0,2
y2 =
3.Sucesiones y seriesMedia
AΣ 2/k³k = 1 … ∞BΣ (−1)ᵏ/kk = 1 … ∞CΣ k/(k + 3)k = 1 … ∞DΣ (3/4)ᵏk = 1 … ∞

Exactamente una de las cuatro series diverge. Haz clic en ella.

A: Σ 2/k³B: Σ (−1)ᵏ/kC: Σ k/(k + 3)D: Σ (3/4)ᵏ
  1. 1A: Σ 2/k³
  2. 2B: Σ (−1)ᵏ/k
  3. 3C: Σ k/(k + 3)
  4. 4D: Σ (3/4)ᵏ
4.Sucesiones y seriesDifícil
xyfP₃0,5

Usa el polinomio de Maclaurin de grado 3 de f(x) = 1/(1 − x) para aproximar f(0,5). Da P₃(0,5).

f(x) = 1/(1 − x)n = 3x = 0,5
P₃(0.5) =
5.Matrices y determinantesMedia
A =−2021−503−2−2

Calcula el determinante det A de la matriz 3×3 A mostrada.

A = [−2 0 2; 1 −5 0; 3 −2 −2]
det A =
6.Matrices y determinantesDifícil
A =43−7−6

Calcula el valor propio mayor λ de la matriz A mostrada.

A = [4 3; −7 −6]
λ =
7.Ecuaciones diferencialesMedia
tyy(0) = 5y(1) = ?

Resuelve y″ + 8y′ + 16y = 0 con y(0) = 5 e y′(0) = -2. Halla y(1).

y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 5y′(0) = -2
y(1) =
8.Ecuaciones diferencialesDifícil
tyy(0) = 1y(0,5) = ?

Resuelve y″ + 4y′ + 8y = 0 con y(0) = 1 e y′(0) = 0 (soltado desde el reposo). Halla y(0,5); ángulos en radianes.

y″ + 4y′ + 8y = 0y(0) = 1y′(0) = 0
y(0.5) =

3Disoluciones

1.Métodos numéricos

Respuesta: s = 470 m

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.

Suma ponderada

7 + 2·7 + 2·5 + 2·10 + 2·14 + 15 = 94

Regla del trapecio

s = (10/2)·94 = 470 m

Respuesta

s = 470 m
2.Métodos numéricos

Respuesta: y2 = 0,3932

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₊₁000,20,360,4700160,28300210,20,2830020,4859130,6158280,393176

Pasos de Heun

y₁ = 0,2 + (0,2/2)(0,36 + 0,470016) = 0,283002
y₂ = 0,283002 + (0,2/2)(0,485913 + 0,615828) = 0,393176
00,10,20,30,40,20,30,4ty

Gráfico

y2 = 0,3932

Respuesta

y2 = 0,3932

El valor exacto es y(0,4) = 0,396514.

3.Sucesiones y series

Respuesta: C: Σ k/(k + 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.

Prueba cada serie

A: Σ 2/k³ → Serie p con p = 3 > 1: converge.
B: Σ (−1)ᵏ/k → Alternada, con 1/k decreciendo hacia 0: converge (condicionalmente).
C: Σ k/(k + 3) → Los términos tienden a 1, no a 0: diverge por el criterio del término n-ésimo.
D: Σ (3/4)ᵏ → Geométrica con r = 3/4, |r| < 1: converge.

La respuesta

C: Σ k/(k + 3)

Respuesta

C: Σ k/(k + 3)
4.Sucesiones y series

Respuesta: P₃(0.5) = 1,875

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

P₃(x) = 1 + x + x² + x³

Sustituir

P₃(0,5) = 1 + 0,5 + 0,25 + 0,125 = 1,875

Respuesta

P₃(0,5) = 1,875

El valor exacto es f(0,5) = 2; el error 0,125 disminuye si tomas más términos o un punto más cercano a 0.

5.Matrices y determinantes

Respuesta: det A = 6

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 = 10, M₁₂ = −2, M₁₃ = 13

Desarrollo por cofactores

det A = (−2)·10 − 0·(−2) + 2·13 = 6

Respuesta

det A = 6
6.Matrices y determinantes

Respuesta: λ = 1

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 − (−2)λ + (−3) = 0

Resuelve

λ = (−2 ± √(16))/2 → λ = −3, 1
λ = 1

Respuesta

λ = 1
7.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(1) = 0,4213

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 + 4)² = 0 → r = −4

Constantes

A = y(0) = 5
y′(0) = B − 4A → B = -2 + 20 = 18

Evalúa

y(1) = (5 + 18·1)·e−4 = 0,4213

Respuesta

y(1) = 0,4213
8.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(0.5) = 0,5083

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 = −2 ± 2j

Constantes

A = 1, B = 2·1/2 = 1

Evalúa

y(0,5) = e−1(1·cos 1 + 1·sin 1) = 0,5083

Respuesta

y(0,5) = 0,5083

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods