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
xy123

Aproxima ∫13 1/x dx con la regla del trapecio, n = 2, y compárala con el valor exacto. Halla el error absoluto |E| = |T − I|.

f(x) = 1/x[a, b] = [1, 3]n = 2
|E| =
2.Métodos numéricosDifícil
00,10,20,30,434ty(0, 3)

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

y′ = t + yy(0) = 3h = 0,1
y4 =
3.Sucesiones y seriesMedia
AΣ 5/kk = 1 … ∞BΣ 3ᵏ/k³k = 1 … ∞CΣ 5/k³k = 1 … ∞DΣ ln k / kk = 1 … ∞

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

A: Σ 5/kB: Σ 3ᵏ/k³C: Σ 5/k³D: Σ ln k / k
  1. 1A: Σ 5/k
  2. 2B: Σ 3ᵏ/k³
  3. 3C: Σ 5/k³
  4. 4D: Σ ln k / k
4.Sucesiones y seriesDifícil

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

f(x) = ∛xa = 1k = 2
c₂ =
5.Matrices y determinantesMedia
A =410−2−5−24−51

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

A = [4 1 0; −2 −5 −2; 4 −5 1]
det A =
6.Matrices y determinantesDifícil
A =55−4−5b =08

Resuelve el sistema 5x + 5y = 0 y −4x − 5y = 8. Calcula x.

5x + 5y = 0−4x − 5y = 8
x =
7.Ecuaciones diferencialesMedia
t (min)T (°C)15Ta​35 °C30 °C

Una taza de café a 90 °C se deja en una habitación a 24 °C. Al cabo de 15 min su temperatura es 35 °C. Sigue la ley de enfriamiento de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). ¿Cuánto tiempo después del inicio, t, tarda en alcanzar 30 °C?

T0 = 90 °CTa = 24 °CT(15) = 35 °CT = 30 °C
t = min
8.Ecuaciones diferencialesDifícil
tyy(0) = 2y(0,5) = ?

Resuelve y″ + 3y′ + 18,25y = 0 con y(0) = 2 e y′(0) = 0 (soltado desde el reposo). Halla y(0,5); ángulos en radianes.

y″ + 3y′ + 18,25y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(0.5) =

3Disoluciones

1.Métodos numéricos

Respuesta: |E| = 0,06805

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.

Valor exacto

I = 1,098612

Regla del trapecio

T = (1/2)·(1 + 2·0,5 + 0,333333) = 1,166667

Error

|E| = |1,166667 − 1,098612| = 0,06805

Respuesta

|E| = 0,06805

Error relativo: 6,195 %.

2.Métodos numéricos

Respuesta: y4 = 4,456

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₊₁00333,310,13,33,43,6420,23,643,844,02430,34,0244,3244,4564

Pasos de Euler

y₁ = 3 + 0,1·(3) = 3,3
y₂ = 3,3 + 0,1·(3,4) = 3,64
y₃ = 3,64 + 0,1·(3,84) = 4,024
y₄ = 4,024 + 0,1·(4,324) = 4,4564
00,10,20,30,434ty

Gráfico

y4 = 4,456

Respuesta

y4 = 4,456

El valor exacto es y(0,4) = 4,567299.

3.Sucesiones y series

Respuesta: C: Σ 5/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 5/k → Un múltiplo de la serie armónica (p = 1): diverge.
B: Σ 3ᵏ/k³ → Criterio del cociente: L = 3 > 1, diverge.
C: Σ 5/k³ → Serie p con p = 3 > 1: converge.
D: Σ ln k / k → Mayor que 1/k para k ≥ 3: diverge por comparación con la serie armónica.

La respuesta

C: Σ 5/k³

Respuesta

C: Σ 5/k³
4.Sucesiones y series

Respuesta: c₂ = −0,1111

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) = −0,2222·x1/3 − 2

Coeficiente

c₂ = −0,2222·11/3 − 2/2! = −0,1111
c₂ = −0,1111

Respuesta

c₂ = −0,1111
5.Matrices y determinantes

Respuesta: det A = −66

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 = 6, M₁₃ = 30

Desarrollo por cofactores

det A = 4·(−15) − 1·6 + 0·30 = −66

Respuesta

det A = −66
6.Matrices y determinantes

Respuesta: x = 8

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·(−5) − 5·(−4) = −5

Sustituir la columna de x

det Aₓ = 0·(−5) − 5·8 = −40
x = −40/(−5) = 8

Respuesta

x = 8
y = −8
7.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: t = 20,07 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(66/11)/15 = 0,1195 min⁻¹

Tiempo hasta alcanzar el objetivo

t = ln(66/6)/0,1195 = 20,07 min

Respuesta

t = 20,07 min
8.Ecuaciones diferenciales

Respuesta: y(0.5) = −0,07101

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 = −1,5 ± 4j

Constantes

A = 2, B = 1,5·2/4 = 0,75

Evalúa

y(0,5) = e−0,75(2·cos 2 + 0,75·sin 2) = −0,07101

Respuesta

y(0,5) = −0,07101

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