Esquema de tópicos/temas

  • Presentación General del Curso


    Bienvenida

    Estudiantes sean bienvenidos al curso de ecuaciones diferenciales el cual es de vital importancia para el diseño e implementación de sistemas de ingeniería, para aplicación en su vida profesional.

    Caracterización de la asignatura

    Esta asignatura consolida su formación matemática como ingeniero y potencia su capacidad en el campo de las aplicaciones, aportando al perfil del ingeniero una visión clara sobre el dinamismo de la naturaleza. Además, contribuye al desarrollo de un pensamiento lógico, heurístico y algorítmico al modelar sistemas dinámicos.

    El curso de ecuaciones diferenciales es un campo fértil de aplicaciones ya que una ecuación diferencial describe la dinámica de un proceso; el resolverla permite predecir su comportamiento y da la posibilidad de analizar el fenómeno en condiciones distintas. Esta es la asignatura integradora en los temas de matemáticas y pueden diseñarse proyectos integradores con asignaturas que involucren sistemas dinámicos para cada una de las ingenierías.

    La característica más sobresaliente de esta asignatura es que en ella se aplican todos los conocimientos previos de las matemáticas.

    Intención didáctica

    La asignatura de Ecuaciones Diferenciales se organiza en cinco temas.

    En el primer tema se aborda la teoría preliminar para el estudio de los métodos de solución

    de las ecuaciones diferenciales ordinarias. En la solución de algunas ecuaciones

    diferenciales se pueden realizar cambios de variable para reducirlas a separables. Se

    precisa que en algunos casos un factor integrante puede reducir una ecuación a tipo exacta.

    Es importante remarcar la relación que existe entre los métodos de solución de las

    ecuaciones diferenciales estudiadas. Al finalizar el estudiante resuelve problemas de

    aplicación que puedan ser modelados con una ecuación diferencial ordinaria de primer

    orden.

    En el segundo tema se generalizan las definiciones a ecuaciones diferenciales de orden superior. Se utilizan conceptos del Álgebra Lineal para el estudio de las soluciones de una ecuación diferencial lineal homogénea y se extiende a las soluciones de ecuaciones no homogéneas. Se desarrollan los métodos de coeficientes indeterminados y variación de parámetros para construir la solución general de una ecuación lineal no homogénea. Como un ejemplo de ecuaciones con coeficientes variables se presenta la ecuación de Cauchy-Euler considerando los tres diferentes tipos de raíces características. Se modelan y resuelven problemas dinámicos de ingeniería como movimiento vibratorio, circuitos eléctricos en serie, entre otros.

    En el tercer tema se estudia la definición de transformada de Laplace y se discuten sus propiedades de linealidad. Se define la transformada inversa de Laplace como un proceso algebraico inverso. Una vez deducidas las fórmulas fundamentales se calculan transformadas de manera directa. Al definir la función escalón unitario se hace posible el estudio de funciones escalonadas mediante los teoremas de traslación. Otros resultados importantes son la derivada de una transformada, la transformada de una derivada y el teorema de convolución que permitirán la solución de un problema de valor inicial utilizando la transformada de Laplace. Finalmente se aborda la función delta de Dirac.

    En el tema cuatro se utilizan los conocimientos adquiridos para modelar y resolver sistemas de ecuaciones diferenciales utilizando operadores y la transformada de Laplace. Se estudian aplicaciones en procesos simultáneos: péndulos, resortes, tanques, brazos robóticos, etc.

    El último tema trata de una introducción al estudio de las series de Fourier estableciendo inicialmente los conceptos fundamentales de paridad de funciones y ortogonalidad. Se considera la construcción de series definidas en un intervalo centrado en el origen y definidas en medio intervalo: serie en senos, serie en cosenos y de medio intervalo. Este tema tiene la intención de proporcionar las bases mínimas necesarias para iniciar el estudio formal de aplicaciones posteriores.

    El estudiante debe desarrollar la habilidad para modelar situaciones cotidianas en su entorno. Es importante que el estudiante valore las actividades que realiza, que desarrolle hábitos de estudio y de trabajo para que adquiera características tales como: la curiosidad, la puntualidad, el entusiasmo, el interés, la tenacidad, la flexibilidad y la autonomía.

    Las Ecuaciones Diferenciales contribuyen principalmente en el desarrollo de las siguientes competencias genéricas: de capacidad de abstracción, análisis y síntesis, capacidad para identificar, plantear y resolver problemas, habilidad para trabajar en forma autónoma, habilidades en el uso de las TIC’s, capacidad crítica y autocrítica y la capacidad de trabajo en equipo.

    El docente de Ecuaciones Diferenciales debe mostrar y objetivar su conocimiento y experiencia en el área para construir escenarios de aprendizaje significativo en los estudiantes que inician su formación profesional. El docente enfatiza el desarrollo de las actividades de aprendizaje de esta asignatura a fin de que ellas refuercen los aspectos formativos: incentivar la curiosidad, el entusiasmo, la puntualidad, la constancia, el interés por mejorar, el respeto y la tolerancia hacia sus compañeros y docentes, a sus ideas y enfoques y considerar también la responsabilidad social y el respeto al medio ambiente.

     El curso tiene una duración de 80 horas por semestre, divididas en 5 horas a la semana y se trabajará de manera asíncrona. Se deberán subir a la plataforma las evidencias solicitadas y participar activamente en cada una de las actividades propuestas.

    La calificación mínima aprobatoria se considera 70, por lo que para alcanzar esta calificación por unidad debe revisarse el encuadre de la asignatura en el apartado para evaluación y los porcentajes por tipo de evaluación.






  • Competencias a Desarrollar



    Competencia específica de la asignatura

    Aplica los métodos de solución de ecuaciones diferenciales ordinarias para resolver problemas que involucran sistemas dinámicos que se presentan en la ingeniería.

    Competencias previas

    Plantea y resuelve problemas utilizando las definiciones de límite y derivada de funciones de una variable para la elaboración de modelos matemáticos aplicados.

    Aplica la definición de integral y las técnicas de integración para resolver problemas de ingeniería.

    Resuelve problemas de modelos lineales aplicados en ingeniería para la toma de decisiones de acuerdo a la interpretación de resultados utilizando matrices y sistemas de ecuaciones.

    Analiza las propiedades de los espacios vectoriales y las transformaciones lineales para vincularlos con otras ramas de las matemáticas y otras disciplinas.

    Aplica los principios y técnicas básicas del cálculo vectorial para resolver problemas de ingeniería del entorno.

    • Programa del Curso



      No. Temas Subtemas
      1 Ecuaciones diferenciales ordinarias de primer orden. 1.1 Teoría preliminar.
      1.1.1   Definiciones   (Ecuación    diferencial, orden, grado, linealidad)
      1.1.2      Soluciones      de      las     ecuaciones diferenciales.
      1.1.3 Problema de valor inicial.
      1.1.4 Teorema de existencia y unicidad.
      1.2 Ecuaciones diferenciales ordinarias.
      1.2.1 Variables separables y reducibles.
      1.2.2 Homogéneas.
      1.2.3 Exactas.
          1.2.4 Lineales.
      1.2.5 De Bernoulli.
      1.3 Aplicaciones.
      2 Ecuaciones   diferenciales   lineales de orden superior. 2.1 Teoría preliminar.
      2.1.1  Definición  de  ecuación  diferencial  de orden n.
      2.1.2 Problemas de valor inicial.
      2.1.3 Teorema de existencia y unicidad.
      2.1.4     Ecuaciones     diferenciales     lineales homogéneas.
      2.1.4.1 Principio de superposición.
      2.1.5  Dependencia  e  independencia   lineal. Wronskiano.
      2.1.6   Solución   general   de   las   ecuaciones diferenciales lineales homogéneas.
      2.1.6.1 Reducción de orden.
      2.2    Solución    de    ecuaciones    diferenciales lineales       homogéneas       de       coeficientes constantes.
      2.2.1 Ecuación característica de una ecuación diferencial lineal de orden superior.
      2.3  Solución  de  las  ecuaciones  diferenciales lineales no homogéneas.
      2.3.1      Método      de      los      coeficientes indeterminados.
      2.3.2 Variación de parámetros.
      2.4 La ecuación diferencial de Cauchy-Euler.
      2.5 Aplicaciones.
      3 Transformada de Laplace. 3.1 Teoría preliminar.
      3.1.1   Definición   de   la   transformada   de Laplace. Propiedades.
      3.1.2  Condiciones  suficientes  de  existencia para la transformada de una función.
      3.2 Transformada directa.
      3.3 Transformada inversa.
      3.4 Función escalón unitario.
      3.5 Teoremas de traslación.
      3.6  Transformada  de  funciones  multiplicadas por tn, y divididas  entre t.
      3.7  Transformada  de  una  derivada  y  derivada de una transformada.
      3.8 Teorema de convolución.
      3.9 Transformada de una integral.
      3.10 Transformada de  una función periódica.
      3.11   Transformada   de   la   función   delta   de Dirac.
          3.12 Aplicaciones.
      4 Sistemas           de           ecuaciones diferenciales  lineales. 4.1 Teoría preliminar.
      4.1.1   Sistemas   de   ecuaciones  diferenciales lineales.
      4.1.2   Sistemas   de   ecuaciones  diferenciales lineales homogéneos.
      4.1.3  Solución  general  y  solución  particular de sistemas de ecuaciones diferenciales lineales.
      4.2   Métodos   de   solución   para   sistemas   de ecuaciones diferenciales lineales.
      4.3 Método de los operadores.
      4.4 Utilizando la transformada de Laplace.
      4.5 Aplicaciones.
      5 Introducción    a    las    series    de Fourier. 5.1 Teoría preliminar.
      5.2 Series de Fourier.
      5.3  Series  de  Fourier  en  cosenos,  senos  y  de medio intervalo.

    • Bibliografía General del Curso


      Bibliografia
      Recursos adicionales
      Kreyszig
        Erwin; Rodolfo Garcia Piña tr; Hugo Villagómez Velázquez tr.  Matemáticas Avanzadas Para Ingeniería Vol.
        1 3era Ed.  ISBN: 968-18-5310-5
      Plataforma: Phet
      Versión digital actual
        del libro Dennis G. Zill

      Plataforma: Khan Academy
      Manual
        de fórmulas y tablas matemáticas, Murray R. Spiegel, McGraw Hill, ISBN
        968-422-924-0

      Matlab y simulink
      Ecuaciones Diferenciales:
        y problemas con valores en la frontera. C. Henry Edwards. Prentice-Hall.
        México 2009, 4ª edición. ISBN: 9789702612858

      Logger pro
      Ecuaciones diferenciales
        y problemas con valores en la frontera. William E. Boyce. Limusa. 2007, 11°
        edición. ISBN: 9681849744

       
      Ecuaciones diferenciales
        con aplicaciones de modelado. Dennis G. Zill. Editorial Interamerica. México,
        2009, novena edición. ISBN-13: 978-970-830-055-1, ISBN-10: 970-830-055-1

       
      Introducción a las
      
        Ecuaciones Diferenciales, Editorial Ínter América, Ross Shepley l., 3a. ed.-
      México.
       
       


      • Criterios de acreditación de la asignatura

        EVALUACIÓN POR UNIDAD

        VALOR %

        ECi : Evaluación Escrita u oral

        20

        EAi: Asistencia a través Foros

        5

        EPi : Reporte De Proyecto de Investigación o práctica, Síntesis de articulo dirigido o documento o ensayo de tema dirigido

        35

        EPi : Notas o apuntes tomados por el estudiante

        5

        EDi: Tareas

        35

        TOTAL

        100


             

         


      • Evaluación Diagnostica

        La evaluación diagnostica se utiliza para conocer el grado de conocimientos de calculo diferencial, calculo integral y algunas leyes físicas y químicas de fenómenos o sistemas.

        Y no tiene valor sumativo en las evaluación total.


      • 1. Ecuaciones diferenciales ordinarias de primer orden.

        Competencias específicas:

        Modela la relación existente entre una función desconocida y una variable independiente mediante una ecuación diferencial para describir algún proceso dinámico. Identifica los diferentes tipos de ecuaciones diferenciales ordinarias de primer orden, para establecer soluciones generales, particulares y singulares.

        Competencias genéricas:

        Capacidad de abstracción, análisis y síntesis. Capacidad para identificar, plantear y resolver problemas. Capacidad de aprender y

        actualizarse permanentemente. Capacidad de trabajo en equipo.

        Actividades de aprendizaje

        • Investigar la definición de ecuación diferencial.
        •  Identificar tipos de ecuaciones diferenciales. 
        • Comprobar soluciones de ecuaciones diferenciales.
        •  Identificar un problema de valor inicial y expresar las condiciones del mismo. Reconocer los métodos con los que una ecuación diferencial puede ser resuelta. 
        • Resolver ecuaciones diferenciales de primer orden e interpretar gráficamente las soluciones utilizando las TIC’s. 
        • Modelar situaciones en ingeniería utilizando ecuaciones diferenciales de primer orden.

         Estrategias de Aprendizaje

        Actividades de Aprendizaje

        a)       Buscará en bibliografía especializada y realizará mapas conceptuales, síntesis de lecturas o ensayos dirigidos

        b)      Leerá textos dirigidos

        c)       Reconocerá patrones mediante ecuaciones o graficas

        d)      Resolverá ejercicios practicando una estrategia o técnica matemática y usan la repetición en los ejercicios para reconocer técnica

        e)      Interpretará un fenómeno matemáticamente, con apoyo tecnológico y software especializado

        f)        Generará textos como notas para demostrar la comprensión del tema estudiado

         Estrategias de Evaluación

        Los instrumentos de evaluación por unidad se anexan en el encuadre de la asignatura

        Duración del tema

        4 semanas


      • Recursos de apoyo

      • Actividades

      • Evaluacion

        EC1: Evaluación escrita: Solución de un cuestionario donde reconozca las características de una EDO lineal y del concepto de solución

      • EDO Separables y Reducibles a separables

        Una ecuación diferencial ordinaria (EDO) es similar a una ecuación algebraica; en las ecuaciones algebraicas las variables (x o y o z o cualquier otra) corresponde a las incógnita a encontrar y corresponde a la solución de la ecuación, siendo este valor el cual al sustituirlo hace que la igualdad sea cierta (es decir el valor del lado izquierdo y el valor del lado derecho de la igualdad son el mismo).

        En el caso de una EDO las igualdad involucra en el lado izquierdo de la igualdad una función "y" que ha sido derivada una o varias veces y esta corresponde a la incógnita ( es el equivalente de la incógnita en una ecuación algebraica), mientras del lado derecho se encuentran tanto la función "y" como variables "x", por lo que encontrar la solución de la ecuación diferencial, corresponde a determinar la función "y".


      • 1.3 APLICACIONES DE EDO PRIMER ORDEN

      • Proyecto a desarrollar en la asignatura


        El objetivo del proyecto que planteé el docente que imparta esta asignatura, es demostrar el desarrollo y alcance de la(s) competencia(s) de la asignatura, considerando las

        siguientes fases:

        • Fundamentación: marco referencial (teórico, conceptual, contextual, legal) en el cual se fundamenta el proyecto de acuerdo con un diagnóstico realizado, mismo que permite a los estudiantes lograr la comprensión de la realidad o situación objeto de estudio para definir un proceso de intervención o hacer el diseño de un modelo.
        • Planeación: con base en el diagnóstico en esta fase se realiza el diseño del proyecto por parte de los estudiantes con asesoría del docente; implica planificar un proceso: de intervención empresarial, social o comunitario, el diseño de un modelo, entre otros, según el tipo de proyecto, las actividades a realizar los recursos requeridos y el cronograma de trabajo.
        • Ejecución: consiste en el desarrollo de la planeación del proyecto realizada por parte de los estudiantes con asesoría del docente, es decir en la intervención (social, empresarial), o construcción del modelo propuesto según el tipo de proyecto, es la fase de mayor duración que implica el desempeño de las competencias genéricas y especificas a desarrollar.
        •  Evaluación: es la fase final que aplica un juicio de valor en el contexto laboral profesión, social e investigativo, ésta se debe realizar a través del reconocimiento de logros y aspectos a mejorar se estará promoviendo el concepto de “evaluación para la mejora continua”, la meta cognición, el desarrollo del pensamiento crítico y reflexivo en los estudiantes.

      • UNIDAD 2


        Ecuaciones diferenciales lineales de orden superior.

        2.1 Teoría preliminar.
        2.1.1 Definición de ecuación diferencial de orden n.
        2.1.2 Problemas de valor inicial.
        2.1.3 Teorema de existencia y unicidad.
        2.1.4 Ecuaciones diferenciales lineales
        homogéneas.
        2.1.4.1 Principio de superposición.
        2.1.5 Dependencia e independencia lineal.
        Wronskiano.
        2.1.6 Solución general de las ecuaciones
        diferenciales lineales homogéneas.
        2.1.6.1 Reducción de orden.
        2.2 Solución de ecuaciones diferenciales
        lineales homogéneas de coeficientes
        constantes.
        2.2.1 Ecuación característica de una ecuación
        diferencial lineal de orden superior.
        2.3 Solución de las ecuaciones diferenciales
        lineales no homogéneas.
        2.3.1 Método de los coeficientes
        indeterminados.
        2.3.2 Variación de parámetros.
        2.4 La ecuación diferencial de Cauchy-Euler.
        2.5 Aplicaciones.



        Competencia específica:

        Resuelve ecuaciones diferenciales lineales con coeficientes constantes de orden superior y modela la relación existente entre una función desconocida y una variable independiente para analizar sistemas dinámicos que se presentan en la ingeniería 

        Competencias genéricas: 

        Capacidad de abstracción, análisis y síntesis. Capacidad para identificar, plantear y resolver problemas. Capacidad de aprender y actualizarse permanentemente. Capacidad de trabajo en equipo.

        • UNIDAD 3


          Transformada de Laplace.

          3.1 Teoría preliminar.

          3.1.1 Definición de la transformada de Laplace. Propiedades.

          3.1.2 Condiciones suficientes de existencia para la transformada de una función.

          3.2 Transformada directa.

          3.3 Transformada inversa.

          3.4 Función escalón unitario.

          3.5 Teoremas de traslación.

          3.6 Transformada de funciones multiplicadas por tn, y divididas entre t.

          3.7 Transformada de una derivada y derivada de una transformada.

          3.8 Teorema de convolución.

          3.9 Transformada de una integral.

          3.10 Transformada de una función periódica.

          3.11 Transformada de la función delta de Dirac.



          Competencia específica:

          Aplica la transformada de Laplace como una herramienta para resolver ecuaciones diferenciales e integrales que se presentan  en su campo profesional.

          Competencias genéricas: 

          Capacidad de abstracción, análisis y síntesis. Capacidad para identificar, plantear y resolver problemas. Capacidad de aprender y actualizarse permanentemente. Capacidad de trabajo en equipo.

          • UNIDAD 4


            Sistemas de ecuaciones diferenciales lineales.


            4.1 Teoría preliminar.
            4.1.1 Sistemas de ecuaciones diferenciales lineales.
            4.1.2 Sistemas de ecuaciones diferenciales lineales homogéneos.
            4.1.3 Solución general y solución particular de sistemas de ecuaciones diferenciales lineales.
            4.2 Métodos de solución para sistemas de ecuaciones diferenciales lineales.
            4.3 Método de los operadores.
            4.4 Utilizando la transformada de Laplace.
            4.5 Aplicaciones.


            Competencia específica:

            Modela y resuelve situaciones diversas a través de sistemas de ecuaciones diferenciales lineales para interpretar su respuesta.

            Competencias genéricas: 

            Capacidad de abstracción, análisis y síntesis. Capacidad para identificar, plantear y resolver problemas. Capacidad de aprender y actualizarse permanentemente. Capacidad de trabajo en equipo.

            • UNIDAD 5


              Introducción a las series de Fourier.

              5.1 Teoría preliminar.

              5.2 Series de Fourier.

              5.3 Series de Fourier en cosenos, senos y de medio intervalo.


              Competencia específica:

              Utiliza las definiciones básicas de ortogonalidad de funciones para poder construir una serie de Fourier en un intervalo arbitrario centrado y en medio intervalo.

              Competencias genéricas: 

              Capacidad de abstracción, análisis y síntesis. Capacidad para identificar, plantear y resolver problemas. Capacidad de aprender y actualizarse permanentemente. Capacidad de trabajo en equipo.

              • ENCUESTA

              • Tarea 4

              • TALLER