Mathematics · Libro 2 · Grades 10–12

Matemáticas de secundaria

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26Ecuaciones diferenciales

Una ecuación diferencial relaciona una función con sus derivadas. La física, la química, la biología y la economía expresan sus leyes en esa forma: el ritmo de enfriamiento de un cuerpo, la desintegración de un núcleo radiactivo y el crecimiento de una población son afirmaciones sobre yy'. Este capítulo resuelve por completo las ecuaciones lineales de primer orden con coeficientes constantes.

26.1 La ecuación y=ayy' = ay

Definición 26.1 (Ecuación diferencial)

Una ecuación diferencial es una ecuación cuya incógnita es una función yy y en la que aparecen yy y sus derivadas. Una solución en un intervalo II es una función derivable que cumple la ecuación en todos los puntos de II.

Teorema 26.2 (Soluciones de y=ayy' = ay)

Sea aRa \in \R. Las soluciones en R\R de la ecuación y=ayy' = ay son exactamente las funciones

y(x)=Ceax,CR.y(x) = C\,\eu^{ax}, \qquad C \in \R .

Para cada pareja (x0,y0)(x_0, y_0) hay una única solución con y(x0)=y0y(x_0) = y_0.

Demostración. Cada y=Ceaxy = C\eu^{ax} cumple y=Caeax=ayy' = Ca\,\eu^{ax} = ay. Recíprocamente, sea yy una solución cualquiera y tomemos z(x)=y(x)eaxz(x) = y(x)\,\eu^{-ax}. Entonces

z(x)=y(x)eaxay(x)eax=(y(x)ay(x))eax=0,z'(x) = y'(x)\,\eu^{-ax} - a\,y(x)\,\eu^{-ax} = \bigl(y'(x) - a y(x)\bigr)\eu^{-ax} = 0,

así que zz es constante, digamos CC, y y(x)=Ceaxy(x) = C\eu^{ax}. La condición inicial y(x0)=y0y(x_0) = y_0 obliga a C=y0eax0C = y_0 \eu^{-a x_0}, de manera única.

Observación 26.3

La exponencial queda así caracterizada por la más sencilla de todas las ecuaciones diferenciales: crecimiento proporcional al tamaño. Por eso aparece por todas partes en la naturaleza.

La ecuación y' = y prescribe una pendiente en cada punto del plano (segmentos grises). Las soluciones C x (aquí C = 1 en azul, C = 0.3 en rojo y C = -0.5 en naranja) son exactamente las curvas que siguen ese campo de pendientes.
La ecuación y=yy' = y prescribe una pendiente en cada punto del plano (segmentos grises). Las soluciones CexC\eu^{x} (aquí C=1C = 1 en azul, C=0.3C = 0.3 en rojo y C=0.5C = -0.5 en naranja) son exactamente las curvas que siguen ese campo de pendientes.

Ejemplo 26.4 (Desintegración radiactiva)

Una cantidad radiactiva cumple N=λNN' = -\lambda N con λ>0\lambda > 0, luego N(t)=N0eλtN(t) = N_0\,\eu^{-\lambda t}; véase el Ejemplo 23.9 para el periodo de semidesintegración.

26.2 La ecuación y=ay+by' = ay + b

Teorema 26.5 (Soluciones de y=ay+by' = ay + b)

Sean a0a \neq 0 y bRb \in \R. Las soluciones en R\R de y=ay+by' = ay + b son exactamente las funciones

y(x)=Ceaxba,CR.y(x) = C\,\eu^{ax} - \frac{b}{a}, \qquad C \in \R .

La función constante yp=bay_p = -\frac ba es la solución de equilibrio. Para cada (x0,y0)(x_0, y_0) hay una única solución con y(x0)=y0y(x_0) = y_0; y si a<0a < 0, todas las soluciones tienden al equilibrio ba-\frac ba cuando x+x \to +\infty.

Demostración. La constante yp=bay_p = -\frac{b}{a} cumple yp=0=ayp+by_p' = 0 = a y_p + b. Ahora bien, yy es solución si y solo si

(yyp)=y=ay+b=a(yyp)+ayp+b=0=a(yyp),(y - y_p)' = y' = ay + b = a(y - y_p) + \underbrace{a y_p + b}_{=\,0} = a (y - y_p),

es decir, si y solo si z=yypz = y - y_p resuelve z=azz' = az. Por el Teorema 26.2, z=Ceaxz = C\eu^{ax}, de donde la fórmula, la existencia y la unicidad. Si a<0a < 0, eax0\eu^{ax} \to 0 cuando x+x \to +\infty, luego y(x)bay(x) \to -\frac ba.

Método 26.6 (Resolver y=ay+by' = ay + b con una condición inicial)

  1. Halla la solución de equilibrio yp=bay_p = -\frac{b}{a} (resolviendo y=0y' = 0).
  2. Escribe la solución general y=Ceax+ypy = C\eu^{ax} + y_p.
  3. Determina CC con la condición inicial.
  4. Contrasta el comportamiento a largo plazo con la intuición física (¿converge la solución al equilibrio?).

La misma estrategia (una solución particular más la solución general de la ecuación homogénea) se extiende a y=ay+f(x)y' = ay + f(x): véase la Proposición 26.8.

Ejemplo 26.7 (Ley de enfriamiento de Newton)

Una taza de café a 8080\,^\circC está en una habitación a 2020\,^\circC. La ley de Newton afirma que la temperatura TT cumple T=k(T20)T' = -k(T - 20) para cierto k>0k > 0, es decir, T=kT+20kT' = -kT + 20k. El equilibrio es 2020 y T(t)=20+60ektT(t) = 20 + 60\,\eu^{-kt}: el café se enfría exponencialmente deprisa hasta la temperatura ambiente.

Sea cual sea su temperatura inicial, todas las soluciones de T' = -k(T - 20) convergen exponencialmente al equilibrio T = 20.
Sea cual sea su temperatura inicial, todas las soluciones de T=k(T20)T' = -k(T - 20) convergen exponencialmente al equilibrio T=20T = 20.

26.3 La ecuación y=ay+f(x)y' = ay + f(x)

Proposición 26.8 (Estructura del conjunto de soluciones)

Sea ff continua en un intervalo II y sea ypy_p una solución particular de

y=ay+f(x)y' = ay + f(x)

en II. Entonces las soluciones en II son exactamente las funciones y=Ceax+ypy = C\eu^{ax} + y_p, con CRC \in \R.

Demostración. Como en el Teorema 26.5: yy es solución si y solo si z=yypz = y - y_p cumple z=(ay+f)(ayp+f)=azz' = (ay + f) - (ay_p + f) = az, si y solo si z=Ceaxz = C\eu^{ax}.

Método 26.9 (Adivinar una solución particular)

Busca una solución particular de la misma forma que ff:

  • ff polinómica de grado nn: prueba con un polinomio de grado nn;
  • f(x)=αekxf(x) = \alpha\,\eu^{kx} con kak \neq a: prueba con yp=βekxy_p = \beta\,\eu^{kx};
  • f(x)=αeaxf(x) = \alpha\,\eu^{ax} (caso resonante): prueba con yp=βxeaxy_p = \beta x\,\eu^{ax}.

Sustituye en la ecuación e identifica los coeficientes.

Ejemplo 26.10

Resolvamos y=2y+4xy' = 2y + 4x. Probamos con yp=αx+βy_p = \alpha x + \beta: que α=2(αx+β)+4x\alpha = 2(\alpha x + \beta) + 4x para todo xx obliga a 2α+4=02\alpha + 4 = 0 y α=2β\alpha = 2\beta, luego α=2\alpha = -2 y β=1\beta = -1. Solución general: y=Ce2x2x1y = C\eu^{2x} - 2x - 1.

26.4 Ejercicios

Ejercicio 26.1

Resuelve en R\R: (a) y=3yy' = 3y con y(0)=2y(0) = 2; (b) 2y+y=02y' + y = 0 con y(0)=1y(0) = -1; (c) y=y+5y' = -y + 5 con y(0)=0y(0) = 0.

Solución

Solución de Ejercicio 26.1.

(a) y=Ce3xy = C\eu^{3x}; y(0)=2y(0) = 2 da y=2e3xy = 2\eu^{3x}.

(b) y=12yy' = -\frac12 y, luego y=Cex/2y = C\eu^{-x/2}; y(0)=1y(0) = -1 da y=ex/2y = -\eu^{-x/2}.

(c) Equilibrio yp=5y_p = 5; y=Cex+5y = C\eu^{-x} + 5; y(0)=0y(0) = 0 da C=5C = -5: y=5(1ex)y = 5\left(1 - \eu^{-x}\right).

Ejercicio 26.2

Una población de bacterias crece a un ritmo proporcional a su tamaño y se duplica cada 33 horas. Escribe la ecuación diferencial que cumple la población N(t)N(t) y determina la constante de proporcionalidad.

Solución

Solución de Ejercicio 26.2.

N=kNN' = kN, luego N(t)=N0ektN(t) = N_0 \eu^{kt}. Duplicarse en 33 horas significa e3k=2\eu^{3k} = 2, es decir,

k=ln230.231 h1.k = \frac{\ln 2}{3} \approx 0.231\ \text{h}^{-1}.

Ejercicio 26.3

Comprueba que yp(x)=xexy_p(x) = x\,\eu^{x} es solución de y=y+exy' = y + \eu^x y da todas las soluciones en R\R.

Solución

Solución de Ejercicio 26.3.

yp(x)=ex+xex=yp(x)+exy_p'(x) = \eu^x + x\eu^x = y_p(x) + \eu^x: ypy_p es una solución particular (es el caso resonante del Método 26.9). Por la Proposición 26.8, las soluciones son y=Cex+xex=(C+x)exy = C\eu^{x} + x\eu^{x} = (C + x)\,\eu^x, con CRC \in \R.

Ejercicio 26.4 ★★

Resuelve y=2y+exy' = -2y + \eu^{x} con y(0)=1y(0) = 1. (Indicación: busca una solución particular de la forma βex\beta\,\eu^{x}.)

Solución

Solución de Ejercicio 26.4.

Probamos con yp=βexy_p = \beta\eu^x: βex=2βex+ex\beta\eu^x = -2\beta\eu^x + \eu^x da 3β=13\beta = 1, luego yp=13exy_p = \frac13\eu^x. Solución general y=Ce2x+13exy = C\eu^{-2x} + \frac13\eu^{x}; la condición y(0)=1y(0) = 1 da C=23C = \frac23:

y(x)=23e2x+13ex.y(x) = \frac{2}{3}\,\eu^{-2x} + \frac{1}{3}\,\eu^{x}.

Ejercicio 26.5 ★★

El carbono-14 se desintegra con un periodo de semidesintegración de 57305730 años. Una muestra arqueológica contiene el 60%60\,\% del carbono-14 de un organismo vivo. Estima su edad.

Solución

Solución de Ejercicio 26.5.

N(t)=N0eλtN(t) = N_0\,\eu^{-\lambda t} con λ=ln25730\lambda = \frac{\ln 2}{5730} (Ejemplo 23.9). Resolvemos eλt=0.6\eu^{-\lambda t} = 0.6:

t=ln(1/0.6)λ=5730ln(5/3)ln25730×0.51080.69314220 an˜os.t = \frac{\ln(1/0.6)}{\lambda} = 5730\,\frac{\ln(5/3)}{\ln 2} \approx 5730 \times \frac{0.5108}{0.6931} \approx 4220 \text{ años}.

Ejercicio 26.6 ★★

Un depósito contiene 100100 L de agua pura. Entra salmuera con 0.20.2 kg de sal por litro a 55 L/min, y la mezcla (que se mantiene uniforme) sale al mismo ritmo. Sea m(t)m(t) la masa de sal del depósito en el instante tt (en minutos).

  1. Justifica que m=1m20m' = 1 - \dfrac{m}{20}.
  2. Resuelve la ecuación y determina el límite de m(t)m(t) cuando t+t \to +\infty. Interprétalo.
Solución

Solución de Ejercicio 26.6.

1. Entra sal a razón de 0.2×5=10.2 \times 5 = 1 kg/min. La salida lleva una concentración de m100\frac{m}{100} kg/L a 55 L/min, es decir, m20\frac{m}{20} kg/min. Por tanto, m=1m20m' = 1 - \frac{m}{20}.

2. Equilibrio mp=20m_p = 20; m(t)=20+Cet/20m(t) = 20 + C\eu^{-t/20}, y m(0)=0m(0) = 0 da C=20C = -20:

m(t)=20(1et/20)t+20 kg.m(t) = 20\left(1 - \eu^{-t/20}\right) \xrightarrow[t\to+\infty]{} 20 \text{ kg}.

A la larga, la concentración del depósito iguala a la de la salmuera entrante: 0.20.2 kg/L ×\times 100100 L =20= 20 kg.

Ejercicio 26.7 ★★

Una paracaidista de 8080 kg cae sometida a la gravedad (g=9.8 m/s2g = 9.8\ \text{m/s}^2) y a una resistencia del aire proporcional a la velocidad, de modo que su velocidad cumple v=gkmvv' = g - \frac{k}{m}v con k=16k = 16 kg/s.

  1. Resuelve la ecuación con v(0)=0v(0) = 0.
  2. Calcula la velocidad límite limt+v(t)\lim_{t\to+\infty} v(t) y el tiempo necesario para alcanzar el 95%95\,\% de esa velocidad.
Solución

Solución de Ejercicio 26.7.

1. v=gkmvv' = g - \frac{k}{m} v con km=1680=0.2\frac km = \frac{16}{80} = 0.2. Equilibrio v=mgk=9.80.2=49v_\infty = \frac{mg}{k} = \frac{9.8}{0.2} = 49 m/s; v(t)=49+Ce0.2tv(t) = 49 + C\eu^{-0.2t}, y v(0)=0v(0) = 0 da

v(t)=49(1e0.2t).v(t) = 49\left(1 - \eu^{-0.2 t}\right).

2. Velocidad límite 4949 m/s (176\approx 176 km/h). Queremos 1e0.2t=0.951 - \eu^{-0.2t} = 0.95, es decir, e0.2t=0.05\eu^{-0.2t} = 0.05:

t=ln200.23.000.215 s.t = \frac{\ln 20}{0.2} \approx \frac{3.00}{0.2} \approx 15 \text{ s}.

Ejercicio 26.8 ★★★

(Ecuación logística.) Una población y(t)(0,1)y(t) \in \intoo{0}{1} (expresada como fracción de la población máxima) cumple

y=y(1y).y' = y(1 - y).
  1. Sea z=1yz = \dfrac{1}{y}. Demuestra que zz cumple la ecuación lineal z=z+1z' = -z + 1.
  2. Resuelve para zz y después para yy, con y(0)=110y(0) = \frac{1}{10}.
  3. Demuestra que y(t)1y(t) \to 1 cuando t+t \to +\infty y esboza la forma de la curva solución.
Solución

Solución de Ejercicio 26.8.

1. z=1yz = \frac1y da z=yy2=y(1y)y2=1yy=1y+1=z+1z' = -\frac{y'}{y^2} = -\frac{y(1-y)}{y^2} = -\frac{1-y}{y} = -\frac1y + 1 = -z + 1.

2. Equilibrio zp=1z_p = 1, luego z(t)=1+Cetz(t) = 1 + C\eu^{-t}. De y(0)=110y(0) = \frac{1}{10} se sigue z(0)=10z(0) = 10, luego C=9C = 9 y

y(t)=11+9et.y(t) = \frac{1}{1 + 9\,\eu^{-t}} .

3. Cuando t+t \to +\infty, 9et09\eu^{-t} \to 0 e y(t)1y(t) \to 1. La curva es la clásica logística en forma de S (una sigmoide): crecimiento lento al principio (yy pequeño, yyy' \approx y), crecimiento máximo cuando y=12y = \frac12 (donde y=y(1y)y' = y(1-y) es máximo) y saturación después hacia la capacidad de carga 11.

Ejercicio 26.9 ★★★

Sea yy una solución de y=ay+by' = ay + b y sea un=y(n)u_n = y(n) para nNn \in \N. Demuestra que (un)(u_n) cumple una recurrencia aritmético-geométrica un+1=qun+ru_{n+1} = q u_n + r y expresa qq y rr en función de aa y bb. ¿A qué corresponde la condición q<1\abs{q} < 1 para la ecuación diferencial?

Solución

Solución de Ejercicio 26.9.

Por el Teorema 26.5, y(x)=Ceaxbay(x) = C\eu^{ax} - \frac ba. Por tanto,

un+1=Cea(n+1)ba=ea(Ceanba)+ba(ea1)=qun+ru_{n+1} = C\eu^{a(n+1)} - \frac ba = \eu^{a}\left(C\eu^{an} - \frac ba\right) + \frac ba\left(\eu^a - 1\right) = q\,u_n + r

con q=eaq = \eu^{a} y r=ba(ea1)r = \frac{b}{a}\left(\eu^{a} - 1\right). La condición q<1\abs q < 1 significa ea<1\eu^a < 1, es decir, a<0a < 0: exactamente la condición bajo la cual las soluciones de la ecuación diferencial convergen al equilibrio ba-\frac ba; y, en efecto, el punto fijo de la recurrencia es r1q=ba\frac{r}{1 - q} = -\frac{b}{a}.

26.5 Problema: El reloj que llevan dentro las cosas

Problema 26.1

Problema de fin de semana — el carbono-14 data las cuevas, la ley de enfriamiento de Newton cronometra un crimen y una ecuación diminuta se pone cuatro disfraces

Una ecuación diferencial es una ley de cambio; resolverla convierte la ley en un reloj. La misma ecuación diminuta y=ay+by' = ay + b (Teorema 26.5) hace tictac dentro del carbón prehistórico, del café que se enfría, de las gotas de lluvia que caen y de los goteros de hospital; y leer esos relojes es el oficio de este problema: data las pinturas de Lascaux, fija una hora de la muerte y audita sus propias hipótesis, como haría un buen científico.

Parte I — Soltura.

  1. Resuelve y=3yy' = 3y con y(0)=2y(0) = 2; y después y=2y+6y' = -2y + 6 con y(0)=0y(0) = 0 (Método 26.6).
  2. Vuelve a deducir el truco de unicidad que hay detrás del Teorema 26.2: si y=ayy' = ay, calcula la derivada de y(t)eaty(t)\,\eu^{-at} y concluye que toda solución es CeatC\eu^{at}.
  3. Para y=2y+6y' = -2y + 6: halla la solución de equilibrio y describe el destino de todas las demás soluciones cuando t+t \to +\infty. (Los puntos fijos de las recurrencias del Problema 13.1, vueltos continuos.)
  4. Para la ley de desintegración y=yτy' = -\frac{y}{\tau}: demuestra que el periodo de semidesintegración es t1/2=τln2t_{1/2} = \tau \ln 2.
  5. Esboza (o describe) la familia de soluciones de y=2y+6y' = -2y + 6: ¿qué hacen las soluciones que empiezan por encima de 33? ¿Y las que empiezan por debajo? ¿Y la que empieza en 33?

Parte II — El carbono-14. Los tejidos vivos mantienen constante la proporción de carbono-14 radiactivo; al morir cesa la incorporación y las reservas se desintegran: N=λNN' = -\lambda N, con periodo de semidesintegración de 57305\,730 años.

  1. Calcula λ\lambda (por año).
  2. Un hueso conserva el 20%20\,\% de la proporción de un ser vivo: ¿cuántos años tiene?
  3. El carbón de las cuevas pintadas de Lascaux conserva alrededor del 15%15\,\%: data las pinturas.
  4. El hombre de hielo Ötzi, encontrado en un glaciar alpino, medía alrededor del 53%53\,\%: dátalo (los arqueólogos hablan de unos 53005\,300 años; ¿qué tal lo has hecho?).
  5. ¿Por qué no puede el carbono-14 datar dinosaurios? Calcula la fracción que queda tras diez periodos, expresa la fracción tras 6565 millones de años como potencia de 22 y concluye.
  6. Barras de error: si el 53%53\,\% de Ötzi solo se conoce con un margen de ±1%\pm 1\,\%, calcula el intervalo de edades. ¿Qué precisión en el laboratorio compra qué precisión en la datación?

Parte III — El enfriamiento de Newton, y un crimen. Un cuerpo a temperatura TT en un entorno a temperatura constante TaT_a se enfría según T=k(TTa)T' = -k\,(T - T_a).

  1. Resuelve la ecuación (sustituyendo z=TTaz = T - T_a):

    T(t)=Ta+(T0Ta)ekt.T(t) = T_a + (T_0 - T_a)\,\eu^{-kt} .
  2. Un café servido a 9090\,^\circC en una habitación a 2020\,^\circC marca 7070\,^\circC al cabo de 55 minutos. Determina kk y después el tiempo de espera hasta los 5555\,^\circC, que ya se pueden beber.
  3. La cuestión de la leche: para beber el café más caliente posible dentro de diez minutos, ¿hay que echar la leche fría ahora o en el último momento? Responde con la ecuación (¿qué le hace a la diferencia TTaT - T_a echar la leche, y cómo gobierna esa diferencia la pérdida?).
  4. Investigación forense: se encuentra un cuerpo a medianoche a 3030\,^\circC en una habitación a 2020\,^\circC; una hora después marca 2828\,^\circC. Suponiendo 3737\,^\circC en el momento de la muerte, recupera kk a partir de las dos medidas y calcula la hora de la muerte.
  5. Audita el reloj del forense: nombra tres incumplimientos reales de las hipótesis del modelo y en qué dirección sesgaría cada uno la hora estimada de la muerte.

Parte IV — Cuatro disfraces y una curva en S.

  1. La ecuación logística del Ejercicio 26.8, y=y(1y)y' = y(1 - y) con y(0)=0.1y(0) = 0.1: usando la sustitución del ejercicio, deduce y(t)=11+9ety(t) = \dfrac{1}{1 + 9\eu^{-t}} y halla el instante del punto de inflexión y=12y = \frac12: la fecha del epidemiólogo del Problema 22.1, ahora calculable.
  2. Una gota de lluvia cumple v=10v2v' = 10 - \frac v2 (la gravedad menos el rozamiento), con v(0)=0v(0) = 0. Halla la velocidad límite, resuelve para v(t)v(t) y calcula cuándo alcanza la gota el 95%95\,\% de esa velocidad.
  3. Un gotero de hospital administra un fármaco a ritmo constante mientras el cuerpo lo elimina de forma proporcional: c=40.5cc' = 4 - 0.5c, con c(0)=0c(0) = 0. Halla la concentración de régimen estacionario y el tiempo necesario para llegar a la mitad. Enuncia en una frase el paralelismo con las recurrencias de préstamos del Ejercicio 26.9.
  4. Final: una ecuación y cuatro disfraces: desintegración, enfriamiento, caída y dosificación, todos y=ay+by' = ay + b con signos y nombres distintos. Recita el ciclo de modelización que este problema ha recorrido cuatro veces (ley \to ecuación \to solución \to calibración \to predicción \to auditoría) y nombra el fenómeno que necesita yy'' y el problema que ya se encontró con él.
Solución

Solución de Problema 26.1.

1. y=2e3ty = 2\eu^{3t}. Para la segunda: equilibrio 33, luego y=3+Ce2ty = 3 + C\eu^{-2t} con y(0)=0y(0) = 0: C=3C = -3: y=3(1e2t)y = 3\left(1 - \eu^{-2t}\right).

2. (yeat)=yeatayeat=(yay)eat=0\left(y\eu^{-at}\right)' = y'\eu^{-at} - ay\eu^{-at} = (y' - ay)\eu^{-at} = 0: el producto es una constante CC, luego y=Ceaty = C\eu^{at}; ninguna solución se escapa.

3. Equilibrio: y3y \equiv 3. Todas las demás soluciones son 3+Ce2t3 + C\eu^{-2t} con C0C \neq 0: la exponencial muere y la solución se desliza hasta 33; un punto fijo estable, el gemelo continuo de los puntos fijos de las recurrencias del Problema 13.1.

4. y=y0et/τy = y_0\eu^{-t/\tau} se reduce a la mitad cuando et/τ=12\eu^{-t/\tau} = \frac12: t=τln2t = \tau\ln 2.

5. Todas las soluciones son traslaciones verticales de la caída hacia 33: las que empiezan por encima bajan hasta 33, las que empiezan por debajo suben hasta 33 y la solución constante 33 se queda quieta; un embudo alrededor del equilibrio.

6. λ=ln257301.21×104\lambda = \frac{\ln 2}{5730} \approx 1.21 \times 10^{-4} por año.

7. eλt=0.2\eu^{-\lambda t} = 0.2: t=ln5λ13300t = \frac{\ln 5}{\lambda} \approx 13\,300 años.

8. t=ln(1/0.15)λ15700t = \frac{\ln(1/0.15)}{\lambda} \approx 15\,700 años: los toros de Lascaux son del final de la última glaciación.

9. t=ln(1/0.53)λ5250t = \frac{\ln(1/0.53)}{\lambda} \approx 5\,250 años: a menos de una vida humana del valor de los arqueólogos; el reloj funciona.

10. Diez periodos dejan 2100.1%2^{-10} \approx 0.1\,\%: al borde de lo medible. Tras 6565 millones de años, la fracción es 265000000/57302113442^{-65\,000\,000/5\,730} \approx 2^{-11\,344}: no queda ni un átomo de las reservas originales en ningún fósil; los dinosaurios se datan con relojes más lentos (el de potasio-argón y sus parientes).

11. Un 52%52\,\% da unos 54055\,405 años y un 54%54\,\%, unos 50955\,095: el ±1%\pm 1\,\% de la química se convierte en unos ±155\pm 155 años de historia; la precisión del laboratorio es la precisión del cartel del museo.

12. z=TTaz = T - T_a cumple z=kzz' = -kz: z=(T0Ta)ektz = (T_0 - T_a)\eu^{-kt}, y T=Ta+zT = T_a + z.

13. La diferencia inicial es T0Ta=70T_0 - T_a = 70; a los cinco minutos, la diferencia es 7020=5070 - 20 = 50, luego 50=70e5k50 = 70\eu^{-5k}: k=ln(70/50)50.067k = \frac{\ln(70/50)}{5} \approx 0.067 por minuto. Bebible: 5520=35=70ekt55 - 20 = 35 = 70\eu^{-kt}: t=ln2k10.3t = \frac{\ln 2}{k} \approx 10.3 minutos.

14. El ritmo de pérdida es proporcional a la diferencia TTaT - T_a: el café ardiendo pierde calor más deprisa. Echar la leche ahora recorta la diferencia de inmediato, así que se pierde menos calor en los diez minutos; echarla al final deja que el café se enfríe antes a toda velocidad. Para la taza más caliente: la leche, primero. (Los anfitriones impacientes tienen la termodinámica del revés.)

15. Diferencias respecto del ambiente: a medianoche, 1010; una hora después, 88: ek=0.8\eu^{-k} = 0.8: k=ln1080.223k = \ln\frac{10}{8} \approx 0.223 por hora. En el momento de la muerte la diferencia era 1717 y decayó hasta 1010 a medianoche: s=ln(17/10)k2.4s = \frac{\ln(17/10)}{k} \approx 2.4 horas. Hora de la muerte: sobre las 21:4021{:}40.

16. Una habitación caldeada o con corriente (TaT_a no constante) tuerce el reloj en un sentido u otro; la ropa o la masa corporal cambian kk (las tablas forenses lo corrigen), y una kk equivocada reescala todo el intervalo; y un cuerpo trasladado desde otro lugar reinicia TaT_a a media desintegración y finge una muerte más temprana o más tardía. La ecuación es honrada; el riesgo lo llevan las hipótesis.

17. z=1yz = \frac1y cumple z=1zz' = 1 - z: z=1+9etz = 1 + 9\eu^{-t} (de z(0)=10z(0) = 10), luego y=11+9ety = \frac{1}{1 + 9\eu^{-t}}. Inflexión en y=12y = \frac12: 9et=19\eu^{-t} = 1: t=ln92.2t = \ln 9 \approx 2.2; la fecha del giro de la epidemia, directamente de la fórmula.

18. Velocidad límite: v=0v' = 0 en v=20v = 20 m/s. Solución: v(t)=20(1et/2)v(t) = 20\left(1 - \eu^{-t/2}\right). Y el 0.950.95: et/2=0.05\eu^{-t/2} = 0.05: t=2ln206t = 2\ln 20 \approx 6 s; las gotas de lluvia alcanzan su velocidad de crucero en segundos, y por eso la lluvia no mata.

19. Régimen estacionario: c=8c = 8. La mitad: 4=8(1et/2)4 = 8\left(1 - \eu^{-t/2}\right): et/2=12\eu^{-t/2} = \frac12: t=2ln21.4t = 2\ln 2 \approx 1.4 horas. El gotero es el gemelo continuo del préstamo: entrada constante y salida proporcional; el Ejercicio 26.9 hace exacto el diccionario.

20. Desintegración (a<0a < 0, b=0b = 0), enfriamiento (y=TTay = T - T_a), caída (a<0a < 0, b>0b > 0: acercamiento al equilibrio desde abajo) y dosificación (lo mismo, en una vena): una ecuación, cuatro mundos. El ciclo: enunciar la ley de cambio; escribir la ecuación; resolver (Método 26.6); calibrar las constantes con las medidas; predecir; y auditar después las hipótesis (pregunta 16). La oscilación necesita y=ω2yy'' = -\omega^2 y, con la que ya nos encontramos, que ya resolvimos y que ya pusimos a oscilar en el Problema 24.1.

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