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
xy00,250,50,7511,251,5

Aproxima ∫01,5 1/√(1 + x⁴) dx con la regla de Simpson usando n = 6 franjas. Da S.

f(x) = 1/√(1 + x⁴)[a, b] = [0, 1,5]n = 6
S =
2.Métodos numéricosDifícil
00,10,20,30,422,53ty(0, 3)

Usa el método de Euler con h = 0,1 para y′ = −y, y(0) = 3 para estimar y4 ≈ y(0,4).

y′ = −yy(0) = 3h = 0,1
y4 =
3.Sucesiones y seriesMedia
AΣ (−1)ᵏ/√kk = 1 … ∞BΣ 3ᵏ/k!k = 1 … ∞CΣ (5/4)ᵏk = 1 … ∞DΣ 1/(k(k + 4))k = 1 … ∞

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

A: Σ (−1)ᵏ/√kB: Σ 3ᵏ/k!C: Σ (5/4)ᵏD: Σ 1/(k(k + 4))
  1. 1A: Σ (−1)ᵏ/√k
  2. 2B: Σ 3ᵏ/k!
  3. 3C: Σ (5/4)ᵏ
  4. 4D: Σ 1/(k(k + 4))
4.Sucesiones y seriesDifícil

f(x) = ln(1 + x) se aproxima por su polinomio de Maclaurin de grado 4 en x = 0,1. Usa la cota del error de Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! con M = 4! = 24 para hallar el mayor error posible |R₄|.

f(x) = ln(1 + x)n = 4x = 0,1M = 24
|R₄| =
5.Matrices y determinantesMedia
A =3−4−5−3−4−13−3−5

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

A = [3 −4 −5; −3 −4 −1; 3 −3 −5]
det A =
6.Matrices y determinantesDifícil
A =−35−1−4b =−510

Resuelve el sistema −3x + 5y = −5 y −x − 4y = 10. Calcula x.

−3x + 5y = −5−x − 4y = 10
x =
7.Ecuaciones diferencialesMedia
t (min)T (°C)11Ta​T = ?

Una pieza de acero forjado a 380 °C se deja enfriar en un taller a 30 °C. Sigue la ley de enfriamiento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Con k = 0,03 min⁻¹, halla su temperatura T al cabo de 11 min.

T0 = 380 °CTa = 30 °Ck = 0,03 min⁻¹t = 11 min
T = °C
8.Ecuaciones diferencialesDifícil
tyK = 10y(0,25) = ?

Un sistema obedece y″ + 2y′ + 5y = 50 para t ≥ 0, partiendo del reposo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Halla y(0,25); ángulos en radianes.

y″ + 2y′ + 5y = 50y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.25) =

3Disoluciones

1.Métodos numéricos

Respuesta: S = 1,2

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)peso001110,250,998053420,50,970143230,750,8715764410,707107251,250,539054461,50,4061381

Nodos y valores

h = 0,25
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0,998053 + 2·0,970143 + 4·0,871576 + 2·0,707107 + 4·0,539054 + 0,406138 = 14,395364

Regla de Simpson

S = (0,25/3)·14,395364 = 1,2

Respuesta

S = 1,2

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

2.Métodos numéricos

Respuesta: y4 = 1,968

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.

ntₙyₙf(tₙ, yₙ)yₙ₊₁003−32,710,12,7−2,72,4320,22,43−2,432,18730,32,187−2,1871,9683

Pasos de Euler

y₁ = 3 + 0,1·(−3) = 2,7
y₂ = 2,7 + 0,1·(−2,7) = 2,43
y₃ = 2,43 + 0,1·(−2,43) = 2,187
y₄ = 2,187 + 0,1·(−2,187) = 1,9683
00,10,20,30,422,53ty

Gráfico

y4 = 1,968

Respuesta

y4 = 1,968

El valor exacto es y(0,4) = 2,01096.

3.Sucesiones y series

Respuesta: C: Σ (5/4)ᵏ

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 (−1)ᵏ/√k → Alternada, con 1/√k decreciendo hacia 0: converge (condicionalmente).
B: Σ 3ᵏ/k! → Criterio del cociente: L = lim 3/(k + 1) = 0 < 1, converge.
C: Σ (5/4)ᵏ → Geométrica con r = 5/4 > 1: los términos crecen, así que diverge.
D: Σ 1/(k(k + 4)) → Menor que 1/k²: converge por comparación.

La respuesta

C: Σ (5/4)ᵏ

Respuesta

C: Σ (5/4)ᵏ
4.Sucesiones y series

Respuesta: |R₄| = 2 × 10⁻⁶

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.

Cota de la derivada

M = 4! = 24

Cota de Lagrange

|R₄| ≤ 24·0,1⁵/5! = 2 × 10⁻⁶

Respuesta

|R₄| = 2 × 10⁻⁶

El error real es menor: |f(0,1) − P₄(0,1)| = 1,846 × 10⁻⁶.

5.Matrices y determinantes

Respuesta: det A = 18

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 = 17, M₁₂ = 18, M₁₃ = 21

Desarrollo por cofactores

det A = 3·17 − (−4)·18 + (−5)·21 = 18

Respuesta

det A = 18
6.Matrices y determinantes

Respuesta: x = −1,765

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 = (−3)·(−4) − 5·(−1) = 17

Sustituir la columna de x

det Aₓ = (−5)·(−4) − 5·10 = −30
x = −30/17 = −1,765

Respuesta

x = −1,765
y = −2,059
7.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: T = 281,6 °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) = 30 + 350·e−0,03t

Sustituye t

T(11) = 30 + 350·0,7189 = 281,6 °C

Respuesta

T = 281,6 °C
8.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(0.25) = 1,298

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.

Valor estacionario y raíces

yss = 10, r = −1 ± 2j

Constantes a partir de los valores iniciales

y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −1A + 2B = 0 → B = −5

Evalúa

y(0,25) = 10·(1 − e−0,25(cos 0,5 + 0,5·sin 0,5)) = 1,298

Respuesta

y(0,25) = 1,298

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