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

Se usa la regla del trapecio para ∫02 x³ 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 0,0001.

f(x) = x³[a, b] = [0, 2]ε = 0,0001
n =
2.Métodos numéricosDifícil
00,510,511,52ty(0, 2)

Usa el método de Euler con h = 0,2 para y′ = −2ty, y(0) = 2 para estimar y5 ≈ y(1).

y′ = −2tyy(0) = 2h = 0,2
y5 =
3.Sucesiones y seriesMedia
AΣ 1/(3ᵏ + k)k = 1 … ∞BΣ 5/k²k = 1 … ∞CΣ 2ᵏ/k!k = 1 … ∞DΣ k!/2ᵏk = 1 … ∞

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

A: Σ 1/(3ᵏ + k)B: Σ 5/k²C: Σ 2ᵏ/k!D: Σ k!/2ᵏ
  1. 1A: Σ 1/(3ᵏ + k)
  2. 2B: Σ 5/k²
  3. 3C: Σ 2ᵏ/k!
  4. 4D: Σ k!/2ᵏ
4.Sucesiones y seriesDifícil

Halla el coeficiente c₂ de (x + 1)² en la serie de Taylor de f(x) = e3x alrededor de a = −1.

f(x) = e3xa = −1k = 2
c₂ =
5.Matrices y determinantesMedia
A =5016B =−320−1

Sea C = AB para las matrices mostradas. Calcula el elemento c12 (fila 1, columna 2).

A = [5 0; 1 6]B = [−3 2; 0 −1]
c12 =
6.Matrices y determinantesDifícil
A =−5−24−4b =−7−11

Resuelve el sistema −5x − 2y = −7 y 4x − 4y = −11. Calcula x.

−5x − 2y = −74x − 4y = −11
x =
7.Ecuaciones diferencialesMedia
tyy(0) = 3y(0,5) = ?

Resuelve y″ + 4y′ + 4y = 0 con y(0) = 3 e y′(0) = 0. Halla y(0,5).

y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 3y′(0) = 0
y(0.5) =
8.Ecuaciones diferencialesDifícil
t (min)m (kg)10 minm = ?

Un depósito contiene 200 L de agua pura. Entra salmuera con 0,2 kg de sal por litro a 20 L/min, y la disolución bien mezclada sale al mismo caudal. ¿Cuánta sal m hay en el depósito al cabo de 10 min?

V = 200 Lm0 = 0 kgc = 0,2 kg/Lr = 20 L/min
m = kg

3Disoluciones

1.Métodos numéricos

Respuesta: n = 283

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 = 6·2 = 12

Despejar n

n² > 8·12/(12·0,0001) = 80000
n > 282,8 → n = 283

Respuesta

n = 283
2.Métodos numéricos

Respuesta: y5 = 0,7988

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₊₁0020210,22−0,81,8420,41,84−1,4721,545630,61,5456−1,854721,17465640,81,174656−1,879450,798766

Pasos de Euler

y₁ = 2 + 0,2·(0) = 2
y₂ = 2 + 0,2·(−0,8) = 1,84
y₃ = 1,84 + 0,2·(−1,472) = 1,5456
y₄ = 1,5456 + 0,2·(−1,85472) = 1,174656
y₅ = 1,174656 + 0,2·(−1,87945) = 0,798766
00,510,511,52ty

Gráfico

y5 = 0,7988

Respuesta

y5 = 0,7988

El valor exacto es y(1) = 0,735759.

3.Sucesiones y series

Respuesta: D: Σ k!/2ᵏ

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/(3ᵏ + k) → Menor que (1/3)ᵏ, una serie geométrica convergente: converge por comparación.
B: Σ 5/k² → Serie p con p = 2 > 1: converge.
C: Σ 2ᵏ/k! → Criterio del cociente: L = lim 2/(k + 1) = 0 < 1, converge.
D: Σ k!/2ᵏ → Criterio del cociente: L = lim (k + 1)/2 = ∞, diverge.

La respuesta

D: Σ k!/2ᵏ

Respuesta

D: Σ k!/2ᵏ
4.Sucesiones y series

Respuesta: c₂ = 0,224

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.

Derivada f⁽²⁾

f⁽²⁾(x) = 3²·e3x

Coeficiente

c₂ = 3²·e−3/2! = 0,224
c₂ = 0,224

Respuesta

c₂ = 0,224
5.Matrices y determinantes

Respuesta: c12 = 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

c12 = 5·2 + 0·(−1) = 10

Respuesta

c12 = 10
6.Matrices y determinantes

Respuesta: x = 0,2143

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 = (−5)·(−4) − (−2)·4 = 28

Sustituir la columna de x

det Aₓ = (−7)·(−4) − (−2)·(−11) = 6
x = 6/28 = 0,2143

Respuesta

x = 0,2143
y = 2,964
7.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(0.5) = 2,207

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) = 3
y′(0) = B − 2A → B = 0 + 6 = 6

Evalúa

y(0,5) = (3 + 6·0,5)·e−1 = 2,207

Respuesta

y(0,5) = 2,207
8.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: m = 25,28 kg

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.

Plantea la ecuación

dm/dt = 20·0,2 − (20/200)·m = 4 − 0,1·m

Resuelve

El factor integrante es ert/V; la solución tiende al equilibrio c·V.

m(t) = 40 + (−40)·e−t/10

Sustituye t

m(10) = 40 + (−40)·0,3679 = 25,28 kg

Respuesta

m = 25,28 kg

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