Matemáticas II · Tema 1 · Sección 1.4

Ejercicios resueltos de crecimiento y decrecimiento exponencial

4 ejercicios resueltos paso a paso del tema 1 de Matemáticas II (Introducción a las ecuaciones diferenciales). El enunciado está a la vista y la solución, plegada: intenta cada ejercicio antes de abrirla.

Ejercicio 1

Dificultad: Básico

Una sustancia radiactiva se reduce a la mitad en 8 horas. Si inicialmente hay 200 gramos, ¿cuántos gramos quedarán después de 24 horas?

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  1. Paso 1
    Establecer el modelo matemático

    dNdt=−kN\frac{dN}{dt} = -kN donde N(t)N(t) es la cantidad de sustancia en el tiempo tt.

  2. Paso 2
    Resolver la ecuación diferencial

    N(t)=N0e−kt=200e−ktN(t) = N_0 e^{-kt} = 200e^{-kt}

  3. Paso 3
    Usar la condición de vida media

    N(8)=100=200e−8kN(8) = 100 = 200e^{-8k}

    12=e−8k\frac{1}{2} = e^{-8k}

    ln⁡(12)=−8k\ln\left(\frac{1}{2}\right) = -8k

    k=ln⁡28≈0.0866k = \frac{\ln 2}{8} \approx 0.0866 h−1^{-1}

  4. Paso 4
    Calcular la cantidad después de 24 horas

    N(24)=200e−0.0866×24=200e−2.078=200×0.125=25N(24) = 200e^{-0.0866 \times 24} = 200e^{-2.078} = 200 \times 0.125 = 25 gramos

Ejercicio 2

Dificultad: Intermedio

Un cultivo de bacterias crece según la ley dPdt=kP\frac{dP}{dt} = kP donde k=0.4k = 0.4 h−1^{-1}. Si la población inicial es 5000 bacterias, determinar:

a) la población después de 3 horas

b) el tiempo necesario para que la población se triplique.

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  1. Paso 1
    Escribir la solución general

    P(t)=P0ekt=5000e0.4tP(t) = P_0 e^{kt} = 5000e^{0.4t}

  2. Paso 2
    Calcular la población después de 3 horas

    P(3)=5000e0.4×3=5000e1.2=5000×3.32=16600P(3) = 5000e^{0.4 \times 3} = 5000e^{1.2} = 5000 \times 3.32 = 16600 bacterias

  3. Paso 3
    Determinar el tiempo para triplicar la población

    P(t)=15000=5000e0.4tP(t) = 15000 = 5000e^{0.4t}

    3=e0.4t3 = e^{0.4t}

    ln⁡3=0.4t\ln 3 = 0.4t

    t=ln⁡30.4=1.0990.4=2.75t = \frac{\ln 3}{0.4} = \frac{1.099}{0.4} = 2.75 horas

  4. Paso 4
    Verificación

    P(2.75)=5000e0.4×2.75=5000e1.1=5000×3.004≈15020P(2.75) = 5000e^{0.4 \times 2.75} = 5000e^{1.1} = 5000 \times 3.004 \approx 15020 bacterias ✓\checkmark

Ejercicio 3

Dificultad: Avanzado

La temperatura de un objeto sigue la ley de Newton: dTdt=−k(T−Ta)\frac{dT}{dt} = -k(T - T_a) donde Ta=25∘CT_a = 25^\circ C es la temperatura ambiente. Si un objeto a 100∘C100^\circ C se enfría a 75∘C75^\circ C en 10 minutos, determinar la constante kk y el tiempo necesario para que alcance 30∘C30^\circ C.

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  1. Paso 1
    Resolver la ecuación diferencial

    T(t)=Ta+(T0−Ta)e−kt=25+75e−ktT(t) = T_a + (T_0 - T_a)e^{-kt} = 25 + 75e^{-kt}

  2. Paso 2
    Usar la condición dada para encontrar kk

    T(10)=75=25+75e−10kT(10) = 75 = 25 + 75e^{-10k}

    50=75e−10k50 = 75e^{-10k}

    23=e−10k\frac{2}{3} = e^{-10k}

    ln⁡(23)=−10k\ln\left(\frac{2}{3}\right) = -10k

    k=ln⁡(3/2)10=0.40510=0.0405k = \frac{\ln(3/2)}{10} = \frac{0.405}{10} = 0.0405 min−1^{-1}

  3. Paso 3
    Encontrar el tiempo para que T=30∘CT = 30^\circ C

    30=25+75e−0.0405t30 = 25 + 75e^{-0.0405t}

    5=75e−0.0405t5 = 75e^{-0.0405t}

    115=e−0.0405t\frac{1}{15} = e^{-0.0405t}

    ln⁡(115)=−0.0405t\ln\left(\frac{1}{15}\right) = -0.0405t

    t=ln⁡150.0405=2.7080.0405=66.9t = \frac{\ln 15}{0.0405} = \frac{2.708}{0.0405} = 66.9 minutos

  4. Paso 4
    Verificación

    T(66.9)=25+75e−0.0405×66.9=25+75e−2.708=25+75×0.067=30∘CT(66.9) = 25 + 75e^{-0.0405 \times 66.9} = 25 + 75e^{-2.708} = 25 + 75 \times 0.067 = 30^\circ C ✓\checkmark

Ejercicio 4

Dificultad: Experto

Un modelo de crecimiento logístico está dado por dPdt=rP(1−PK)\frac{dP}{dt} = rP\left(1 - \frac{P}{K}\right) donde r=0.1r = 0.1 día−1^{-1} y K=10000K = 10000. Si la población inicial es P0=500P_0 = 500, determinar:

a) la función P(t)P(t)

b) el tiempo para alcanzar la mitad de la capacidad de carga

c) la tasa máxima de crecimiento.

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  1. Paso 1
    Resolver la ecuación logística

    La solución de la ecuación logística es:

    P(t)=K1+(K−P0P0)e−rt=100001+19e−0.1tP(t) = \frac{K}{1 + \left(\frac{K-P_0}{P_0}\right)e^{-rt}} = \frac{10000}{1 + 19e^{-0.1t}}

  2. Paso 2
    Encontrar el tiempo para alcanzar P=5000P = 5000

    5000=100001+19e−0.1t5000 = \frac{10000}{1 + 19e^{-0.1t}}

    1+19e−0.1t=21 + 19e^{-0.1t} = 2

    19e−0.1t=119e^{-0.1t} = 1

    e−0.1t=119e^{-0.1t} = \frac{1}{19}

    −0.1t=ln⁡(119)-0.1t = \ln\left(\frac{1}{19}\right)

    t=ln⁡190.1=29.4t = \frac{\ln 19}{0.1} = 29.4 días

  3. Paso 3
    Encontrar la tasa máxima de crecimiento

    dPdt=rP(1−PK)\frac{dP}{dt} = rP\left(1 - \frac{P}{K}\right)

    Para encontrar el máximo, derivamos: d2Pdt2=rdPdt(1−2PK)=0\frac{d^2P}{dt^2} = r\frac{dP}{dt}\left(1 - \frac{2P}{K}\right) = 0

    Esto ocurre cuando P=K2=5000P = \frac{K}{2} = 5000.

  4. Paso 4
    Calcular la tasa máxima

    (dPdt)max=r⋅K2⋅(1−12)=0.1×5000×0.5=250\left(\frac{dP}{dt}\right)_{max} = r \cdot \frac{K}{2} \cdot \left(1 - \frac{1}{2}\right) = 0.1 \times 5000 \times 0.5 = 250 individuos/día