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
xy00,33330,66671

Aproxima ∫01 sin(x²) dx con la regla del trapecio usando n = 3 franjas. Da T.

f(x) = sin(x²)[a, b] = [0, 1]n = 3
T =
2.Métodos numéricosDifícil
00,511,512ty(0, 0,5)

Usa el método de Heun (Euler mejorado) con h = 0,5 para y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 0,5 para estimar y3 ≈ y(1,5).

y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0,5h = 0,5
y3 =
3.Sucesiones y seriesMedia
AΣ ln k / kk = 1 … ∞BΣ (3/2)ᵏk = 1 … ∞CΣ (1 + 1/k)ᵏk = 1 … ∞DΣ 1/(k(k + 3))k = 1 … ∞

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

A: Σ ln k / kB: Σ (3/2)ᵏC: Σ (1 + 1/k)ᵏD: Σ 1/(k(k + 3))
  1. 1A: Σ ln k / k
  2. 2B: Σ (3/2)ᵏ
  3. 3C: Σ (1 + 1/k)ᵏ
  4. 4D: Σ 1/(k(k + 3))
4.Sucesiones y seriesDifícil

Reconoce la serie y halla su suma: S = Σk=0∞ (−1)ᵏ·0,82k/(2k)!.

ak = (−1)ᵏ·0,82k/(2k)!
S =
5.Matrices y determinantesMedia
A =−55310−5−1−50

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

A = [−5 5 3; 1 0 −5; −1 −5 0]
det A =
6.Matrices y determinantesDifícil
A =1−3−4−2b =93

Resuelve el sistema x − 3y = 9 y −4x − 2y = 3. Calcula x.

x − 3y = 9−4x − 2y = 3
x =
7.Ecuaciones diferencialesMedia
t (min)T (°C)14Ta​18 °C10 °C

Una lata de refresco a 4 °C se saca del frigorífico a una habitación a 29 °C. Al cabo de 14 min su temperatura es 18 °C. Sigue la ley de enfriamiento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). ¿Cuánto tiempo después del inicio, t, tarda en alcanzar 10 °C?

T0 = 4 °CTa = 29 °CT(14) = 18 °CT = 10 °C
t = min
8.Ecuaciones diferencialesDifícil
t (min)m (kg)t = ?13 kg

Un depósito contiene 200 L de agua en la que hay disueltos 10 kg de sal. Entra salmuera con 0,1 kg de sal por litro a 2 L/min, y la disolución bien mezclada sale al mismo caudal. ¿Al cabo de cuántos minutos t contiene el depósito 13 kg de sal?

V = 200 Lm0 = 10 kgc = 0,1 kg/Lr = 2 L/min
t = min

3Disoluciones

1.Métodos numéricos

Respuesta: T = 0,3205

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)peso000110,3333330,110883220,6666670,4299562310,8414711

Nodos y valores

h = 0,3333
Σ wᵢfᵢ = 0 + 2·0,110883 + 2·0,429956 + 0,841471 = 1,923149

Regla del trapecio

T = (0,3333/2)·1,923149 = 0,3205

Respuesta

T = 0,3205

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

2.Métodos numéricos

Respuesta: y3 = 2,479

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₊₁000,511,4794261,11985610,51,1198561,5311251,9509131,990366211,9903661,9132640,04229882,479257

Pasos de Heun

y₁ = 0,5 + (0,5/2)(1 + 1,479426) = 1,119856
y₂ = 1,119856 + (0,5/2)(1,531125 + 1,950913) = 1,990366
y₃ = 1,990366 + (0,5/2)(1,913264 + 0,0422988) = 2,479257
00,511,512ty

Gráfico

y3 = 2,479

Respuesta

y3 = 2,479
3.Sucesiones y series

Respuesta: D: Σ 1/(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 ln k / k → Mayor que 1/k para k ≥ 3: diverge por comparación con la serie armónica.
B: Σ (3/2)ᵏ → Geométrica con r = 3/2 > 1: los términos crecen, así que diverge.
C: Σ (1 + 1/k)ᵏ → Los términos tienden a e, no a 0: diverge por el criterio del término n-ésimo.
D: Σ 1/(k(k + 3)) → Menor que 1/k²: converge por comparación.

La respuesta

D: Σ 1/(k(k + 3))

Respuesta

D: Σ 1/(k(k + 3))
4.Sucesiones y series

Respuesta: S = 0,6967

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.

Series estándar

Σ (−1)ᵏx2k/(2k)! = cos x

Sustituir

x = 0,8
S = cos 0,8 = 0,6967

Respuesta

S = 0,6967
5.Matrices y determinantes

Respuesta: det A = 135

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 = −25, M₁₂ = −5, M₁₃ = −5

Desarrollo por cofactores

det A = (−5)·(−25) − 5·(−5) + 3·(−5) = 135

Respuesta

det A = 135
6.Matrices y determinantes

Respuesta: x = 0,6429

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 = 1·(−2) − (−3)·(−4) = −14

Sustituir la columna de x

det Aₓ = 9·(−2) − (−3)·3 = −9
x = −9/(−14) = 0,6429

Respuesta

x = 0,6429
y = −2,786
7.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: t = 4,68 min

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.

Constante de enfriamiento

k = ln(-25/-11)/14 = 0,05864 min⁻¹

Tiempo hasta alcanzar el objetivo

t = ln(-25/(−19))/0,05864 = 4,68 min

Respuesta

t = 4,68 min
8.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: t = 35,67 min

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.

Resultado

m(t) = 20 + (−10)·e−t/100

Despeja t

e−t/100 = (20 − 13)/(20 − 10) = 0,7
t = 100·ln(1,429) = 35,67 min

Respuesta

t = 35,67 min

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