#LyX 2.3 created this file. For more info see http://www.lyx.org/ \lyxformat 544 \begin_document \begin_header \save_transient_properties true \origin unavailable \textclass book \use_default_options true \maintain_unincluded_children false \language spanish \language_package default \inputencoding auto \fontencoding global \font_roman "default" "default" \font_sans "default" "default" \font_typewriter "default" "default" \font_math "auto" "auto" \font_default_family default \use_non_tex_fonts false \font_sc false \font_osf false \font_sf_scale 100 100 \font_tt_scale 100 100 \use_microtype false \use_dash_ligatures true \graphics default \default_output_format default \output_sync 0 \bibtex_command default \index_command default \paperfontsize default \spacing single \use_hyperref false \papersize default \use_geometry false \use_package amsmath 1 \use_package amssymb 1 \use_package cancel 1 \use_package esint 1 \use_package mathdots 1 \use_package mathtools 1 \use_package mhchem 1 \use_package stackrel 1 \use_package stmaryrd 1 \use_package undertilde 1 \cite_engine basic \cite_engine_type default \biblio_style plain \use_bibtopic false \use_indices false \paperorientation portrait \suppress_date false \justification true \use_refstyle 1 \use_minted 0 \index Index \shortcut idx \color #008000 \end_index \secnumdepth 3 \tocdepth 3 \paragraph_separation indent \paragraph_indentation default \is_math_indent 0 \math_numbering_side default \quotes_style french \dynamic_quotes 0 \papercolumns 1 \papersides 1 \paperpagestyle default \tracking_changes false \output_changes false \html_math_output 0 \html_css_as_file 0 \html_be_strict false \end_header \begin_body \begin_layout Standard Un \series bold método en \begin_inset Formula $m$ \end_inset pasos \series default es uno para el que existen \begin_inset Formula $a_{0},\dots,a_{m-1},b_{0},\dots,b_{m}\in\mathbb{R}$ \end_inset tales que, si \begin_inset Formula $(t_{i},\omega_{i})_{i=0}^{n}$ \end_inset es una solución aproximada de un problema por el método, para \begin_inset Formula $i\geq m$ \end_inset , \begin_inset Formula \[ \omega_{i}=a_{0}\omega_{i-m}+\dots+a_{m-1}\omega_{i-1}+(t_{i}-t_{i-1})(b_{0}f(t_{i-m},\omega_{i-m})+\dots+b_{m}f(t_{i},\omega_{i})). \] \end_inset El método es \series bold explícito \series default si \begin_inset Formula $b_{m}=0$ \end_inset e \series bold implícito \series default si no. Estos métodos requieren usar otros métodos para calcular \begin_inset Formula $(t_{i},\omega_{i})_{i=0}^{m-1}$ \end_inset . \end_layout \begin_layout Standard El método es de paso fijo si \begin_inset Formula $t_{i}-t_{i-1}=h$ \end_inset para un cierto parámetro \begin_inset Formula $h$ \end_inset e \begin_inset Formula $i\in\{1,\dots,n\}$ \end_inset . Para el problema \begin_inset Formula \[ \left\{ \begin{aligned}\dot{x}(t) & =f(t,x(t)),\\ x(t_{0}) & =\omega_{0}, \end{aligned} \right. \] \end_inset algunos métodos multipaso de paso fijo son: \end_layout \begin_layout Enumerate \series bold Método explícito de Adams-Bashford de 4 pasos: \series default \begin_inset Formula \[ \omega_{i}=\omega_{i-1}+\frac{h}{24}\left(55f(t_{i-1},\omega_{i-1})-59f(t_{i-2},\omega_{i-2})+37f(t_{i-3},\omega_{i-3})-9f(t_{i-4},\omega_{i-4})\right). \] \end_inset Si \begin_inset Formula $f$ \end_inset es lo suficientemente regular, \begin_inset Formula $\tau_{i}(h)=\frac{251}{720}x^{(5)}(\xi)h^{4}$ \end_inset para cierto \begin_inset Formula $\xi\in[t_{i-1},t_{i}]$ \end_inset . \end_layout \begin_layout Enumerate \series bold Método implícito de Adams-Moulton de 3 pasos: \series default \begin_inset Formula \[ \omega_{i}=\omega_{i-1}+\frac{h}{24}\left(9f(t_{i},\omega_{i})+19f(t_{i-1},\omega_{i-1})-5f(t_{i-2},\omega_{i-2})+f(t_{i-3},\omega_{i-3})\right). \] \end_inset Para \begin_inset Formula $f$ \end_inset suficientemente regular, \begin_inset Formula $\tau_{i}(h)=-\frac{19}{720}x^{(5)}(\xi)h^{4}$ \end_inset para cierto \begin_inset Formula $\xi\in[t_{i-1},t_{i}]$ \end_inset . \end_layout \begin_layout Standard Se tiene \begin_inset Formula \[ x(t_{i+1})=x(t_{i})+\int_{t_{i}}^{t_{i+1}}f(t,x(t))dt, \] \end_inset pues \begin_inset Formula \[ x(t_{i+1})-x(t_{i})=\int_{t_{i}}^{t_{i+1}}\dot{x}=\int_{t_{i}}^{t_{i+1}}f(t,x(t))dt. \] \end_inset \end_layout \begin_layout Section Teoría general de convergencia \end_layout \begin_layout Standard Dados un problema \begin_inset Formula \[ \left\{ \begin{aligned}\dot{x}(t) & =f(t,x(t)),\\ x(t_{0}) & =a \end{aligned} \right. \] \end_inset y una solución aproximada \begin_inset Formula $(t_{i},\omega_{i})_{i=0}^{n}$ \end_inset por un método multipaso con paso \begin_inset Formula $h>0$ \end_inset y coeficientes \begin_inset Formula $a_{0},\dots,a_{m-1},b_{0},\dots,b_{m}$ \end_inset , el \series bold error local de truncamiento \series default es \begin_inset Formula \[ \tau_{i}(h)=\frac{x(t_{i})-a_{m-1}x(t_{i-1})-\dots-a_{0}x(t_{i-m})}{h}-\left(b_{m}f(t_{i},x(t_{i}))+\dots+b_{0}f(t_{i-m},x(t_{i-m}))\right), \] \end_inset para \begin_inset Formula $i\in\{m,\dots,n\}$ \end_inset , de forma que \begin_inset Formula \[ x(t_{i})=\sum_{j=1}^{m}a_{m-j}x(t_{i-j})+h\sum_{j=0}^{m}b_{m-j}\dot{x}(t_{i-j})+h\tau_{i}(h). \] \end_inset \end_layout \begin_layout Standard Consideremos un método multipaso de paso fijo que, para un problema en un intervalo \begin_inset Formula $[a,b]$ \end_inset da soluciones \begin_inset Formula $(t_{hi},\omega_{hi})_{i=0}^{n_{h}}$ \end_inset que cubren \begin_inset Formula $[a,b]$ \end_inset con paso \begin_inset Formula $h$ \end_inset en cierto intervalo \begin_inset Formula $[0,h_{\max}]$ \end_inset y con \begin_inset Formula $\omega_{hi}=x(t_{hi})$ \end_inset para \begin_inset Formula $i0$ \end_inset tal que, para todo \begin_inset Formula $h$ \end_inset y para ciertos \begin_inset Formula $\varepsilon_{m},\dots,\varepsilon_{n_{h}}\in\mathbb{R}$ \end_inset , sea \begin_inset Formula $(t_{i},\omega_{i})_{i=0}^{n}\coloneqq (t_{hi},\omega_{hi})_{i=0}^{n_{h}}$ \end_inset , si se puede generar una solución \begin_inset Formula $(t_{i},\tilde{\omega}_{i})_{i=0}^{n}$ \end_inset con \begin_inset Formula $\tilde{\omega}_{i}\coloneqq \omega_{i}$ \end_inset para \begin_inset Formula $i0$ \end_inset , existen \begin_inset Formula $M,K\in\mathbb{R}$ \end_inset tales que \begin_inset Formula \[ \max_{i\in\{0,\dots,n\}}\Vert x(t_{i})-\omega_{i}\Vert\leq M\left(\max_{i\in\{0,\dots,m-1\}}\Vert x(t_{i})-\omega_{i}\Vert+Kh^{p}\right). \] \end_inset \series bold Demostración: \series default Sean \begin_inset Formula $a_{0},\dots,a_{m-1},b_{0},\dots,b_{m}$ \end_inset los coeficientes del método y \begin_inset Formula $\varepsilon_{i}\coloneqq h\tau_{i}(h)$ \end_inset , como \begin_inset Formula $(t_{i},x(t_{i}))_{i=0}^{n}$ \end_inset se obtiene de añadir al método un error de \begin_inset Formula $\varepsilon_{i}$ \end_inset en cada paso \begin_inset Formula $i$ \end_inset , por la estabilidad, \begin_inset Formula \[ \max_{i\in\{m,\dots,n\}}\Vert x(t_{i})-\omega_{i}\Vert\leq M\left(\max_{i\in\{0,\dots,m-1\}}\Vert x(t_{i})-\omega_{i}\Vert+\sum_{i=m}^{n}\Vert\varepsilon_{i}\Vert\right)=M\sum_{i=m}^{n}\Vert\varepsilon_{i}\Vert \] \end_inset para cierto \begin_inset Formula $M$ \end_inset que no depende de \begin_inset Formula $h$ \end_inset , y si el intervalo es \begin_inset Formula $[a,b]$ \end_inset , \begin_inset Formula $\sum_{i=m}^{n}\Vert\varepsilon_{i}\Vert=\sum_{i=m}^{n}|h|\Vert\tau_{i}(h)\Vert\leq(n-m+1)|h|\max_{i\in\{m,\dots,n\}}\Vert\tau_{i}(h)\Vert\leq(b-a)\Vert\tau_{i}(h)\Vert$ \end_inset , que tiende a 0 cuando \begin_inset Formula $h\to0$ \end_inset por la consistencia, y como \begin_inset Formula $\max_{i\in\{0,\dots,m-1\}}\Vert x(t_{i})-\omega_{i}\Vert=0$ \end_inset , el método es convergente. Además, si \begin_inset Formula $\tau_{i}(h)=O(h^{p})$ \end_inset , sea \begin_inset Formula $k$ \end_inset con \begin_inset Formula $\tau(h)\leq Kh^{p}$ \end_inset para \begin_inset Formula $h\in[0,h_{\max}]$ \end_inset , cada \begin_inset Formula $\Vert\varepsilon_{i}\Vert=h\Vert\tau_{i}(h)\Vert\leq kh^{p+1}$ \end_inset , luego \begin_inset Formula $\sum_{i=m}^{n}\Vert\varepsilon_{i}\Vert\leq\sum_{i=m}^{n}kh^{p+1}\leq\frac{b-a}{h}kh^{p+1}=(b-a)kh^{p}$ \end_inset . \end_layout \begin_layout Section Convergencia en un paso \end_layout \begin_layout Standard Como \series bold teorema \series default , dados \begin_inset Formula $h_{0}>0$ \end_inset y un método de un paso fijo \begin_inset Formula $h\in[0,h_{0}]$ \end_inset dado por \begin_inset Formula $\omega_{0}\coloneqq x(t_{0})$ \end_inset y \begin_inset Formula $\omega_{i+1}\coloneqq \omega_{i}+hØ(t_{i},\omega_{i},h)$ \end_inset con \begin_inset Formula $Ø$ \end_inset continua y lipschitziana en la segunda variable: \end_layout \begin_layout Enumerate El método es estable. \end_layout \begin_deeper \begin_layout Standard Fijado \begin_inset Formula $h$ \end_inset , sean \begin_inset Formula $(t_{i},\omega_{i})_{i=0}^{n}$ \end_inset y \begin_inset Formula $(t_{i},\tilde{\omega}_{i})_{i=0}^{n}$ \end_inset dados por \begin_inset Formula $\omega_{i+1}\coloneqq \omega_{i}+hØ(t_{i},\omega_{i},h)$ \end_inset y \begin_inset Formula $\tilde{\omega}_{i+1}\coloneqq \tilde{\omega}_{i}+hØ(t_{i},\tilde{\omega}_{i},h)+\varepsilon_{i+1}$ \end_inset para ciertos \begin_inset Formula $\varepsilon_{1},\dots,\varepsilon_{n}$ \end_inset , queremos ver que para \begin_inset Formula $i\in\{0,\dots,n\}$ \end_inset , \begin_inset Formula $\Vert\tilde{\omega}_{i}-\omega_{i}\Vert\leq(1+hL)^{i}(\Vert\tilde{\omega}_{0}-\omega_{0}\Vert+\sum_{j=1}^{i}\Vert\varepsilon_{j}\Vert)$ \end_inset . Para \begin_inset Formula $i=0$ \end_inset esto es claro, y supuesto esto probado para un cierto \begin_inset Formula $i$ \end_inset , para \begin_inset Formula $i+1$ \end_inset , \begin_inset Formula \begin{multline*} \Vert\tilde{\omega}_{i+1}-\omega_{i+1}\Vert=\Vert\tilde{\omega}_{i}-\omega_{i}+hØ(t_{i},\omega_{i},h)-hØ(t_{i},\tilde{\omega}_{i},h)+\varepsilon_{i}\Vert\leq(1+hL)\Vert\tilde{\omega}_{i}-\omega_{i}\Vert+\Vert\varepsilon_{i}\Vert\leq\\ \leq(1+hL)^{i+1}\left(\Vert\tilde{\omega}_{0}-\omega_{0}\Vert+\sum_{j=1}^{i}\Vert\varepsilon_{j}\Vert\right)+\Vert\varepsilon_{i}\Vert\leq\\ \overset{(1+hL)^{i+1}\geq1}{\leq}(1+hL)^{i+1}\left(\Vert\tilde{\omega}_{0}-\omega_{0}\Vert+\sum_{j=1}^{i+1}\Vert\varepsilon_{j}\Vert\right). \end{multline*} \end_inset Con esto, como \begin_inset Formula $(1+hL)^{i}\leq(1+hL)^{n}$ \end_inset , llamando \begin_inset Formula $M\coloneqq (1+hL)^{n}$ \end_inset , \begin_inset Formula $\Vert\tilde{\omega}_{i}-\omega_{i}\Vert\leq M(\Vert\tilde{\omega}_{0}-\omega_{0}\Vert+\sum_{j=1}^{i}\Vert\varepsilon_{j}\Vert)$ \end_inset y el método es estable. \end_layout \end_deeper \begin_layout Enumerate Si \begin_inset Formula $Ø(t,x,0)\equiv f(t,x)$ \end_inset , el método es consistente y por tanto convergente. \end_layout \begin_deeper \begin_layout Standard Existe \begin_inset Formula $\xi_{i}\in(t_{i-1},t_{i})$ \end_inset con \begin_inset Formula \begin{align*} \tau_{i}(h) & =\frac{x(t_{i})-x(t_{i-1})}{h}-Ø(t_{i},x(t_{i}),h)=\dot{x}(\xi_{i})-Ø(t_{i},x(t_{i}),h)=\\ & =f(\xi_{i},x(\xi_{i}))-Ø(\xi_{i},x(\xi_{i}),0)+Ø(\xi_{i},x(\xi_{i}),0)-Ø(t_{i},x(t_{i}),h)=\\ & =Ø(\xi_{i},x(\xi_{i}),0)-Ø(t_{i},x(t_{i}),h). \end{align*} \end_inset Si el intervalo es \begin_inset Formula $[a,b]$ \end_inset , por la continuidad de \begin_inset Formula $((t,h)\mapstoØ(t,x(t),h)):[a,b]\times[0,h_{0}]\to\mathbb{R}^{n}$ \end_inset , para cada \begin_inset Formula $(t,h)\in[a,b]\times[0,h_{0}]$ \end_inset y cada \begin_inset Formula $\varepsilon>0$ \end_inset existe \begin_inset Formula $\delta>0$ \end_inset tal que si \begin_inset Formula $|t'-t|,|h'-h|<\delta$ \end_inset entonces \begin_inset Formula $\VertØ(t',x(t'),h')-Ø(t,x(t),h)\Vert<\varepsilon$ \end_inset . En particular, si \begin_inset Formula $|h|<\delta$ \end_inset , como \begin_inset Formula $|\xi_{i}-t_{i}|<|h|<\delta$ \end_inset , \begin_inset Formula $|Ø(\xi_{i},x(\xi_{i}),0)-Ø(t_{i},x(t_{i}),h)|<\varepsilon$ \end_inset , luego \begin_inset Formula $\tau(h)\to0$ \end_inset cuando \begin_inset Formula $h\to0$ \end_inset y el método es consistente, y es convergente por ser además estable. \end_layout \end_deeper \begin_layout Enumerate Dado \begin_inset Formula $K>0$ \end_inset , si \begin_inset Formula $|\tau_{i}(h)|\leq K$ \end_inset para cada \begin_inset Formula $h\in[0,h_{0}]$ \end_inset e \begin_inset Formula $i$ \end_inset , entonces \begin_inset Formula $|x(t_{i})-\omega_{i}|\leq\frac{K}{L}e^{L(t_{i}-t_{0})}$ \end_inset , donde \begin_inset Formula $L$ \end_inset es una constante de Lipschitz de \begin_inset Formula $Ø$ \end_inset en la segunda variable. \end_layout \begin_layout Section Convergencia en métodos multipaso \end_layout \begin_layout Standard Una \series bold ecuación de recurrencia \series default es una de la forma \begin_inset Formula \[ x_{i+m}=a_{0}x_{i}+a_{1}x_{i+1}+\dots+a_{m-1}x_{i+m-1}, \] \end_inset donde los \begin_inset Formula $a_{i}\in\mathbb{R}$ \end_inset , \begin_inset Formula $a_{0}\neq0$ \end_inset y la incógnita es la sucesión \begin_inset Formula $(x_{n})_{n\in\mathbb{N}}$ \end_inset . Las soluciones de la ecuación forman un espacio vectorial de dimensión \begin_inset Formula $m$ \end_inset , pues vienen dadas por los \begin_inset Formula $m$ \end_inset primeros términos. El \series bold polinomio característico \series default de la ecuación es \begin_inset Formula $P(\lambda)\coloneqq \lambda^{m}-a_{m-1}\lambda^{m-1}-\dots-a_{1}\lambda-a_{0}$ \end_inset . Si sus soluciones son todas reales, \begin_inset Formula $\lambda_{0},\dots,\lambda_{m-1}\in\mathbb{R}$ \end_inset donde cada una aparece tantas veces como su multiplicidad, las soluciones de la ecuación de recurrencia son los \begin_inset Formula $(x_{n})_{n}$ \end_inset dados por \begin_inset Formula $\sum_{i=0}^{m-1}c_{i}\lambda_{i}$ \end_inset , con \begin_inset Formula $c_{0},\dots,c_{m-1}\in\mathbb{R}$ \end_inset . \end_layout \begin_layout Standard Dados un método multipaso de paso fijo \begin_inset Formula \[ \omega_{i}:=a_{0}\omega_{i-m}+\dots+a_{m-1}\omega_{i-1}+hF(t_{i},h,\omega_{i-m},\dots,\omega_{i}) \] \end_inset y \begin_inset Formula $\omega_{i}\coloneqq \alpha_{i}$ \end_inset para \begin_inset Formula $i