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.
Para un valor de una tabla: interpola linealmente entre los dos puntos vecinos.
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.
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
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)!.
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
Se usa la regla del trapecio para ∫02 sin x dx. El error es como máximo (b − a)³·M/(12n²) con M = max|f″| en [0, 2]. Halla el menor número de franjas n que garantiza un error inferior a 1 × 10⁻⁵.
f(x) = sin x[a, b] = [0, 2]ε = 1 × 10⁻⁵
n =
2.Métodos numéricosDifícil
Usa el método de Euler con h = 0,2 para y′ = t + y, y(0) = 1 para estimar y3 ≈ y(0,6).
y′ = t + yy(0) = 1h = 0,2
y3 =
3.Sucesiones y seriesMedia
Exactamente una de las cuatro series diverge. Haz clic en ella.
A: Σ k²/3ᵏB: Σ (−1)ᵏ/kC: Σ 1/k³D: Σ (1 + 1/k)ᵏ
1A: Σ k²/3ᵏ
2B: Σ (−1)ᵏ/k
3C: Σ 1/k³
4D: Σ (1 + 1/k)ᵏ
4.Sucesiones y seriesDifícil
f(x) = eˣ se aproxima en x = 1 por su polinomio de Maclaurin de grado n. Con la cota de Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! y M = 3, halla el menor grado n que garantiza un error inferior a 1 × 10⁻⁵.
f(x) = eˣx = 1M = 3ε = 1 × 10⁻⁵
n =
5.Matrices y determinantesMedia
Sea C = AB para las matrices mostradas. Calcula el elemento c22 (fila 2, columna 2).
A = [−2 4; 4 6]B = [2 −1; 2 −1]
c22 =
6.Matrices y determinantesDifícil
Resuelve el sistema −3x + y = −2 y −4x − 4y = −12. Calcula x.
−3x + y = −2−4x − 4y = −12
x =
7.Ecuaciones diferencialesMedia
Una pieza de acero forjado a 400 °C se deja enfriar en un taller a 30 °C. Al cabo de 28 min su temperatura es 151 °C. Sigue la ley de enfriamiento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Halla la constante k en min⁻¹.
T0 = 400 °CTa = 30 °CT(28) = 151 °C
k = min⁻¹
8.Ecuaciones diferencialesDifícil
Resuelve el problema de valor inicial y′ + 2y/x = 1 para x > 0, con y(1) = −1. Halla y(3).
y′ + 2y/x = 1y(1) = −1
y(3) =
3Disoluciones
1.Métodos numéricos
Respuesta: n = 259
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.
Cota de la segunda derivada
M = |sin(π/2)| = 1
Despejar n
n² > 8·1/(12·1 × 10⁻⁵) = 66667
n > 258,2 → n = 259
Respuesta
n = 259
2.Métodos numéricos
Respuesta: y3 = 1,856
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.
Pasos de Euler
y₁ = 1 + 0,2·(1) = 1,2
y₂ = 1,2 + 0,2·(1,4) = 1,48
y₃ = 1,48 + 0,2·(1,88) = 1,856
Gráfico
y3 = 1,856
Respuesta
y3 = 1,856
El valor exacto es y(0,6) = 2,044238.
3.Sucesiones y series
Respuesta: D: Σ (1 + 1/k)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 k²/3ᵏ → Criterio del cociente: L = 1/3 < 1, converge.
B: Σ (−1)ᵏ/k → Alternada, con 1/k decreciendo hacia 0: converge (condicionalmente).
C: Σ 1/k³ → Serie p con p = 3 > 1: converge.
D: Σ (1 + 1/k)ᵏ → Los términos tienden a e, no a 0: diverge por el criterio del término n-ésimo.
La respuesta
D: Σ (1 + 1/k)ᵏ
Respuesta
D: Σ (1 + 1/k)ᵏ
4.Sucesiones y series
Respuesta: n = 8
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.
Cotas para n creciente
n = 7: 7,44 × 10⁻⁵ ≥ 1 × 10⁻⁵
n = 8: 8,267 × 10⁻⁶ < 1 × 10⁻⁵
Menor grado
n = 8
Respuesta
n = 8
5.Matrices y determinantes
Respuesta: c22 = −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.
Fila por columna
c22 = 4·(−1) + 6·(−1) = −10
Respuesta
c22 = −10
6.Matrices y determinantes
Respuesta: x = 1,25
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) − 1·(−4) = 16
Sustituir la columna de x
det Aₓ = (−2)·(−4) − 1·(−12) = 20
x = 20/16 = 1,25
Respuesta
x = 1,25
y = 1,75
7.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: k = 0,03992 min⁻¹
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.
Cociente de diferencias de temperatura
e−28k = 121/370
Despeja k
k = ln(370/121)/28 = 0,03992 min⁻¹
Respuesta
k = 0,03992 min⁻¹
8.Ecuaciones diferenciales
Respuesta: y(3) = 0,8519
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.