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
xy00,3750,751,1251,5

Aproxima ∫01,5 1/√(1 + x⁴) dx con la regla del trapecio usando n = 4 franjas. Da T.

f(x) = 1/√(1 + x⁴)[a, b] = [0, 1,5]n = 4
T =
2.Métodos numéricosDifícil
00,050,100,050,1ty(0, 0)

Da un paso del método clásico de Runge–Kutta (RK4) con h = 0,1 para y′ = e−ty, y(0) = 0. Halla y₁ ≈ y(0,1).

y′ = e−tyy(0) = 0h = 0,1
y1 =
3.Sucesiones y seriesMedia
AΣ 1/(k(k + 1))k = 1 … ∞BΣ 5/k⁴k = 1 … ∞CΣ (2/5)ᵏk = 1 … ∞DΣ 3ᵏ/k³k = 1 … ∞

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

A: Σ 1/(k(k + 1))B: Σ 5/k⁴C: Σ (2/5)ᵏD: Σ 3ᵏ/k³
  1. 1A: Σ 1/(k(k + 1))
  2. 2B: Σ 5/k⁴
  3. 3C: Σ (2/5)ᵏ
  4. 4D: Σ 3ᵏ/k³
4.Sucesiones y seriesDifícil

f(x) = eˣ se aproxima por su polinomio de Maclaurin de grado 4 en x = 1. Usa la cota del error de Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! con M = e1 = 2,718 para hallar el mayor error posible |R₄|.

f(x) = eˣn = 4x = 1M = 2,718
|R₄| =
5.Matrices y determinantesMedia
A =−435−20−5−333

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

A = [−4 3 5; −2 0 −5; −3 3 3]
det A =
6.Matrices y determinantesDifícil
A =−3−254

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

A = [−3 −2; 5 4]
λ =
7.Ecuaciones diferencialesMedia
tyy(0) = 1y(2) = ?

Resuelve y″ + 4y′ + 4y = 0 con y(0) = 1 e y′(0) = 4. Halla y(2).

y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 1y′(0) = 4
y(2) =
8.Ecuaciones diferencialesDifícil
tyy(0) = 1y(0,5) = ?

Resuelve y″ + 2y′ + 17y = 0 con y(0) = 1 e y′(0) = 0 (soltado desde el reposo). Halla y(0,5); ángulos en radianes.

y″ + 2y′ + 17y = 0y(0) = 1y′(0) = 0
y(0.5) =

3Disoluciones

1.Métodos numéricos

Respuesta: T = 1,194

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)peso001110,3750,990257220,750,871576231,1250,619958241,50,4061381

Nodos y valores

h = 0,375
Σ wᵢfᵢ = 1 + 2·0,990257 + 2·0,871576 + 2·0,619958 + 0,406138 = 6,369719

Regla del trapecio

T = (0,375/2)·6,369719 = 1,194

Respuesta

T = 1,194

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

2.Métodos numéricos

Respuesta: y1 = 0,09967

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.

Cuatro pendientes

k₁ = f(0, 0) = 1
k₂ = f(0,05, 0,05) = 0,997503
k₃ = f(0,05, 0,0498752) = 0,997509
k₄ = f(0,1, 0,0997509) = 0,990074

Combina

y₁ = 0 + (0,1/6)(1 + 2·0,997503 + 2·0,997509 + 0,990074) = 0,09967

Respuesta

y1 = 0,09967
3.Sucesiones y series

Respuesta: D: Σ 3ᵏ/k³

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 + 1)) → Menor que 1/k²: converge por comparación.
B: Σ 5/k⁴ → Serie p con p = 4 > 1: converge.
C: Σ (2/5)ᵏ → Geométrica con r = 2/5, |r| < 1: converge.
D: Σ 3ᵏ/k³ → Criterio del cociente: L = 3 > 1, diverge.

La respuesta

D: Σ 3ᵏ/k³

Respuesta

D: Σ 3ᵏ/k³
4.Sucesiones y series

Respuesta: |R₄| = 0,02265

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 = e1 = 2,718

Cota de Lagrange

|R₄| ≤ 2,718·1⁵/5! = 0,02265

Respuesta

|R₄| = 0,02265

El error real es menor: |f(1) − P₄(1)| = 0,009948.

5.Matrices y determinantes

Respuesta: det A = −27

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 = 15, M₁₂ = −21, M₁₃ = −6

Desarrollo por cofactores

det A = (−4)·15 − 3·(−21) + 5·(−6) = −27

Respuesta

det A = −27
6.Matrices y determinantes

Respuesta: λ = 2

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 − (1)λ + (−2) = 0

Resuelve

λ = (1 ± √(9))/2 → λ = −1, 2
λ = 2

Respuesta

λ = 2
7.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(2) = 0,2381

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 + 2)² = 0 → r = −2

Constantes

A = y(0) = 1
y′(0) = B − 2A → B = 4 + 2 = 6

Evalúa

y(2) = (1 + 6·2)·e−4 = 0,2381

Respuesta

y(2) = 0,2381
8.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(0.5) = −0,1145

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 ± 4j

Constantes

A = 1, B = 1·1/4 = 0,25

Evalúa

y(0,5) = e−0,5(1·cos 2 + 0,25·sin 2) = −0,1145

Respuesta

y(0,5) = −0,1145

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