apuntes.docx de ecuaciones

Upload: esau-comonfort-castanon

Post on 06-Jul-2018

230 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    1/69

    UNIVERSIDAD

    AUTONÓMA DE

    GUERRERO

    UNIDADACADEMICA

    DEINGENIERÍA

    PROGRAMAEDUCATIVO:INGENIERÍA

    CIVIL

    UNIDAD DEAPRENDIZAJ

    E:

    ECUACIONESDIFERENCIA

    LES.

     TAREAS SERIES 

    APUNTES

    ALUMNO:ESAÚ

    COMONFORTCASTAÑÓN

    FACILITADOR:

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    2/69

    TAREASResolu!"# $e eu%!o#es $!&e'e#!%les l!#e%les $e ('!)e' o'$e#1¿ x ' −3 yx=0

    M*+o$o $e se(%'%!"# $e ,%'!%-les

    Y =variabledependiente    X (Y )

     X =variableindependiente  

    dxdy−3 yx=0⇒

    dxdy=3 xy

    dx x =3 ydy⇒∫ dx x  =∫ 3 ydy

    ln x+C 1=3  y

    2

    2 +C 2

    ln x=3 y

    2

    2 +C 2+C 1

    ln x=3 y 2

    2 + K 

    e ln| X |=e(3 y

    2

    2 + K )

     x=e3

     y2

    2 . ek 

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    3/69

     x=C . e3

     y2

    2

    SOLUCION GENERAL/ De'!,%$%

    3 yC. e3

     y2

    2 −3 y (C . e3

     y2

    2 )=0

    (3 yC −3 yC ) e3

     y2

    2=0

    0=0

    2

    ¿ ECUACION θ¿' −tan r θ=0

    M*+o$o $e se(%'%!"# $e ,%'!%-les

    θ=

    variabledependiente 

    θ(r)

    r=variableindependiente  

    dθdr −tanr θ=0⇒

    dθdr =tanr θ

    dθθ =tanr dr⇒∫ dθθ  =∫ tan r dr

    θ+C 1=¿ ln|secr|+C  2ln ¿

    θ=¿ ln|secr|+C  2−C 1ln¿

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    4/69

    θ=¿ ln|secr|+ K ln ¿

    e ln|θ|=eln|secr|+ K 

    θ=e ln|secr|. e K 

    θ=e ln|secr|. C 

    θ=C . eln|secr|

    Solu!"# 0e#e'%l1° De'!,%$%

    r (¿C .e ln|secr|)=0secr. tan r

    secr  ¿C .e ln|secr|−tan ¿

    ¿

    r . e ln|secr|

    C . e ln|secr|¿=0

    r ¿C . tan ¿−¿ tan ¿¿

    r .C C . tan r−¿ tan ¿e ln|secr|¿0

    ¿

    0=0

    3¿3 y ' −3 x2 y=0

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    5/69

    Método de separación de variables

     y ( x)

    3dy

    dx −3 x2 y=0⇒

    3dy

    dx =3 x2 y

    3dy y  =3 x2 dx⇒3∫ dy y  =3∫ x

    2 dx

     y

    ln ¿+C 1= x3

    ¿3¿

     y

    ln ¿= x3

    ¿3¿

     y

    ln ¿= x3

    ¿3¿

     x(¿¿ 3+ K )/3

    ¿¿¿

    e ln| y|=e¿

     y=e( x3/3) . e K /3

     y=e( x3/3) .C 

     y=C .e ( x3/3)

    SOLUCION GENERAL

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    6/69

    / DERIVADA

    e

    (¿¿ ( x3

    3 ). C )=03 x

    2

    C . e( x3 /3 )

    −3 x2

    ¿

    (3 x2 C −3 x2C )e( x

    3

    3 )=0

    0=0

    SERIES.Se'!e   °  P'o-le)%: Resol,e' l% s!0u!e#+e eu%!"#:

    Ecuación deferencial lineal de primer orden.

    1dzdt  +3 z=0

      dzdt  +3 z=0

    ∫ dz z  =−∫3 dt 

    ln( z )+c2=−3 t +c2

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    7/69

     z

    (¿)=−3 t +c2−c1ln ¿

    ln( z )=−3 t +k 

    eln( z )=e−3 t +k 

     z=e−3 t . ek 

     z=c . e−3 t 

    Solu!"# 0e#e'%l

    Ve'!2%!"#

     z ' +3 z=0

    −3.c . e−3 t +3 ( c . e−3 t )=0

    (−3.c+3.c ) e−3 t =0

    (0 ) e−3t =0

    0=0

    3/ P'o-le)%: O-+e#e' l% solu!"# $e l%s s!0u!e#+esEu%!"#.

    1dydx+(2 x+1 x   ) y=e−2 x

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    8/69

       x= xc ( y )+ xp ( y)

     dydx+(2 x+1 x   ) y=0  

    dydx

    =−( 2 x+1 x   ) y  

    dy y =−( 2 x+1 x   )dx  

    ∫ dy y  =−∫2 x x  +∫ dx x  

    ∫ dy y  =−2∫dx+∫dx x  

     y(¿)+c1=−2 x+ln x+c2

    ln ¿

     y

    (¿)=−2 x+ ln x+c2−cln¿

    eln y=−2 x+e ln x +k 

     y=−2 x+eln x . ek 

     y=−2 x+ x . ek 

     y=−2 x+c . x   ESTO ES.  xc

    Yp= ( y )(−2 x+ x)    y= ( y ) (−2 x+ x ) ! y ' =' ( y ) (−2 x+ x )(−2+1)( y)

    Sustituyendo x y x’ en la ecuación original

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    9/69

    ' ( y ) (−2 x+ x )(−2+1)( y)+( 2 x+1 x   ) ( x ) (−2 x+ x )=e−2 x

    4/ P'o-le)%: O-+e#e' l% Solu!"# $e l% s!0u!e#+eeu%!"#:

    1 r' '' −6 r ' ' +12 r ' −8 r=0

    Operador diferencial:

     "(¿¿3−6 "2+12 "−8)r=0

    ¿

    La ecuación característica:

     #3−6 #2+12 #−8=0

    P.R:+-4+-2+-1

     # 1=21 -6 12 -82 2 -8 8  1 -4 4 0

     

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    10/69

    Entonces buscamos las dems raíces mediante la factori!ación:

    ( #−2 ) ( #2−4 #+4)

    ( #−2 ) ( #−2 )( #−2)

     #1= #2= #3=2

    r1( y )=e2r2( y )=e

    2 r3( y )=e2

    Solu!"#:

     x ( y )=c1e2

    +c2e2

    +c2 e2

    5/ P'o-le)%: O-+e#e' l% Solu!"# $e l% s!0u!e#+e

    eu%!"#:

    c)   x$I −6 x$ +12 x I$ −34 x' ' ' =0

    Operador diferencial:

     "(¿¿6−6 "5+12 " 4−34 "3) x=0

    ¿

    Ecuación característica:

     #6−6 #5+12 #4−34 #3=0

    "actori!amos:

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    11/69

     #3( #3−6 #2+12 #−34)

    Buscamos raíces mediante la división sintética:Pos!-les '%6es: 78 7.9 %2

    R%6  #1=0

     R%6  #2=4.9625

     Ahora usamos la formula general para determinar lasdemás raíces.

    1−1.0375+6.8514=0

    −b%√ b2−4ac

    2a

    Resol,!e#$o.

    −(−1.0375)%√ (1.0375)2−4(1)(6.8514)

    2(1)  =¿

      ;< 3 ;45 7

    0 0 0 0 0

      1 -6 12 -34 0

     

    ;< 3 ;45

    5.=<39

    4.9625 5.1486

    34.000

     

    ;.74>9

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    12/69

    +1.0375% √ 1.07640−27.40562

      =¿

    +1.0375% √ 26.32922

      =¿

    Raíces.

    0.51875+5.131198i

    0.51875−5.131198i

    Entonces Tenemos:

      c10+c2

    4.9625+c30.51875+c4

    0.51875+c55.131198 i+c6

    −5.131198 i

    9/ P'o-le)%: O-+e#e' l% Solu!"# $e l% s!0u!e#+eeu%!"#:

    1   y I$ − x ' ' ' −3 x '' − x' +2 x=0

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    13/69

    Operador diferencial:

    ( "4− "3−3 "2− "+2 ") x=0

    Ecuación característica: #4− #3−3 #2− #+2 #=0

     #4− #3−3 #2+ #=0

    Pos!-les R%6es. 7   %1%2

      ; ;4 7

    7 0 0 0 0

      ; ;5 7

      ; ;4

    ;.5?3 -1.4812 3.67515

    -0.9999

      ;3.5?3 7.9

    7.777

     

    ;3.5?

    3

    7.9

    7.4

    0.31111

    -0.6751

      ;3.>7 7

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    14/69

    Raíces:

     #1=0

     #2=−1.4812

     #3=0.31111

     #4=2.1701

    Por último la solución es:

     x ( y )=c1e(0 )+c2

    −1.4812+c30.3111+c4

    2.1701

    6° Problema: Obtener el operador aniquilador de la siguiente

    función:

    c)   & ( x )=3 x2+4sin x+cos x

     Aplicamos las siguientes condiciones para hallar el operador

    aniquilador.

      "−¿¿¿

      ( "2−2"+ ( 2+ (2 ))

     Para esta ecuación,

     

    ;3.>7

    3.>7 2.1701

      7

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    15/69

    & ( x )=3 x2+4sin x+cos x

    Usamos la formula:

     "

    2

    −2

    "+( 2

    + (

    2

    )¿n+1

    ¿

    Identificamos en la ecuación los términos de ! ( y n .

     =0

     (=1

    n=3

    Sustituimos los valores otenidos:

     "2−2(0) "+((0)2+12 )¿3+1¿

    Resolviendo ecuación:

     "2−2(0) "+((0)2+12 )¿3+1¿

     !sí otenemos nuestro o"erador ani#uilador:

     "2+1¿3

    ¿

    Serie 2

    $% PRO&'E(!

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    16/69

    O&TEER '! SO'U*IO +E '!S SIUIETE E*U!*I- +IERE*I!'.

    c)  p'' +6 p' +5 p=2e x+10e x

     p  +6 p )  +5p=0

    ( "2+6 "+5)

     #2+6 #+5=0

    Otenemos raíces.

    1,2=¿−6%√ 6

    2−4 (1 )(5)2(1)

      =¿

     #¿

    1,2=¿−6%√ 36−20

    2  =¿

     #¿

    1,2=¿−6 %√ 16

    2=¿

     #¿

    1,2=¿−6%42  =¿

     #¿

    1,2=¿−6−4

    2  =

    −102  =−5

     #¿

    1,2=¿−6+4

    2  =

    2

    2=1

     #¿

     Tenemos que  yc ( x )=c1 e(−5) x+c

    2e(1) x

    cc e−5+c2 e

    1

    ¿e− x ¿

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    17/69

    /% PRO&'E(!

    O&TEER '! SO'U*IO +E '!S SIUIETE E*U!*I- +IERE*I!'.

    c)  y'' + y=sect 

    Primeramente la convertimos como una ecuación 0omo1énea:

     y2+ y=0

    Tenemos la ecuación característica:

     #2+1=0

     #=%i

    +onde  y= A sin x+* c+sx

    Resolviendo la variación de "ar2metros.

    ,= y ) ( y2 )' − y2( y1) ' 

    ,=−sin2 x−cos2 x

    ,=1

     !0ora:

    v 1' = y 2 sect 

    v 1' =1

    v 1= x

    v 21=− y1 sect 

    v 1' =−tant 

    v 2=−ln ( sect )

    Entonces  y= Asin x+*c+sx+Cxsinx+ "c+sx(ln)secx

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    18/69

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    19/69

    3% PRO&'E(!

    UTI'I4!+O '! +EII*IO, O&TEER '! TR!SOR(!+! +E '! P'!*E+E '!S SIUIETES U*IOES:

    c)  -  ( t )=t sen t 

     

      {tsent }=∫0

    e−5 t tsentdt 

     !"licando la inte1ración "or "artes:

    ∫e−5 t tsent dt =−e−5 t −∫( tc+st )(−se−5 t dt )

    /=e−5 t 

    d/=−s e−5 t 

    dt 

    dv=t sent dt v=−t cos t 

      {t sent }=   1s2+1

    Inte1ramos de nuevo:

    −∫ stc+st e−5 dt =−5∫e−5 t tc+st dt =−5∫ e−5 t tsent −∫−se−5t t sent dt =−s e−5 t t sent −52∫ e−5 t t se

    Entonces tenemos #ue :

    /=e−5 t d/=−s e5 t dt 

    dv=t c+st dt $ =sent 

    Esto es :

    ∫e−5 t t sent dt =−e−5 t −(−s e−5 t sent )−s2∫e−5 t t sent dt 

    ∫e−5 t t sent dt =( stsent −tc+st ) e−5 t −s2∫ e−5 t t sent dt 

    ∫e−5 t t sen t +dt +s2∫ e−5 t t sent dt =(s tsent −t c+st )e−5 t 

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    20/69

    (1+s2 )∫ e−5 t t sent dt =(s t sent t cot ) e−5 t 

    e−5t t sent dt =¿( s tsent −tc+st 1+s2 )e−5t |in-init+0 =0

    ∫ ¿

    ¿0−[ s sent (0 )−c+st  (0 )1+s2 ] e−5 (0 )=−[ −1

    1+s2 ]=  1

    s2+1

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    21/69

    5% "rolema

    Otener la transformada de 'a"lace de las si1uientes funciones:

    c) -  ( t )=e3 t 

    cos (−2t )+2 t 2 e−2 t 

    cos (−2t )+2 (t 2 )+l(e−2 t )l (e3t )+  ¿

    (   1s−3 )(   ss2+4 )+2( 2

    s3 )+  1

    s−2

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    22/69

    6% "rolema

    Otener la transformada inversa de 'a"lace de las si1uientes funciones:

    c) (s+10)/(s2+8 s+20)

    7% "rolema

    Utili8ando la transformada de 'a"lace, otener la solución de la ecuación:

    c)   y'' +2 y ' +5 y=3e-2 t y (0 )= y ' (0 )=1

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    23/69

    APUNT

    ESCAPITULO  ECAC!"#E$ %!&E'E#C!A(E$.• Ecuacin !i"e#encia$• %#a!o & o#!en !e una ecuacin !i"e#encia$• Ecuacin !i"e#encia$ $inea$• Ecuacin !i"e#encia$ 'omo(nea• Ecuacin !i"e#encia$ no 'omo(nea• *o$ucin !e una ecuacin !i"e#encia$

    CAPITULO II ECAC!)# %!&E'E#C!A( %E *'!ME' "'%E#

    • +e,nicin• Ecuacin !i"e#encia$ !e #ime# o#!en 'omo(nea• Ecuacin !i"e#encia$ !e #ime# o#!en no 'omo(nea• Reso$ucin !e una ecuacin !i"e#encia$ no 'omo(nea

    /to!o !e sea#acin $a e#!a! en e$ tanque & e$ !e a#ia$es.

    • Reso$ucin !e ecuacin !i"e#encia$ !e #ime# o#!en no 'omo(nea

      ⟹  /to!o !e a#iacin !e a#met#os.

    CAPITULO III ECAC!)# %!&E'E#C!A( %E "'%E# n

    • +e,nicin• Reso$ucin !e una ecuacin !i"e#encia$ !e o#!en 'omo(nea

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    24/69

    e#a!o# !i"e#encia$ Ecuacin ca#acte#ística "uncin eonencia$

    • Reso$ucin !e una ecuacin !i"e#encia$ !e o#!en n no 'omo(nea /to!o !e coe,cientes in!ete#mina!os /to!o !e a#iacin !e a#met#os

    CAPITULO IV (A +'A#$&"'MA%A %E (A*(ACE.

    • +e,nicin• uncin !e c$ase • tencin !e $a t#ans"o#ma!a !e a$ace•  Ta$as !e $a t#ans"o#ma!a !e a$ace•  Teo#ema !e t#ans$acin•  T#ans"o#ma!a !e a$ace ine#sa• tencin !e $a t#ans"o#ma!a !e a$ace ine#sa•  Teo#ema !e cono$ucin•  T#ans"o#ma!a !e a$ace !e una ecuacin !i"e#encia$ $inea$• Reso$ucin !e una ecuacin !i"e#encia$ $inea$ o# $a t#ans"o#ma!a !e

    a$ace

    CAPITULO V $!$+EMA %E ECAC!"#E$ %!&E'E#C!A(E$

    • *istema !e ecuaciones !i"e#encia$es !e #ime# o#!en 'omo(neo• *istema !e ecuaciones !i"e#encia$es !e #ime# o#!en no 'omo(neo• /at#i eonencia$. Teo#ema !e ;ami$ton Ea($e&• Reso$ucin !e un sistema !e ecuaciones !i"e#encia$es !e #ime# o#!en

    'omo(nea• Reso$ucin !e un sistema !e ecuaciones !i"e#encia$es !e #ime# o#!en

    no 'omo(nea•  T#ans"o#macin !e una ecuacin !i"e#encia$ $inea$ en un sistema !e

    ecuaciones !i"e#encia$es !e #ime# o#!en.

    ECUACIONES DIFERENCIALES.

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    25/69

    a ecuacin !i"e#encia$ es una i(ua$!a! que #e$aciona a una "uncin!esconoci!a< con una a#ia$e in!een!iente & sus !e#ia!as.

    d2 y

    dx2 +

    dydx+3 y⟹ y=a/navariabledependiente . x=variableindependiente

     y ' + y ' +3 y=2e2 t +t 2⟹ y=variabledependiente !t =a/na variableindependiente

     y'' +2 y ' −4  y=⟹ y=varabledependiente y= 0  (t ) y=-  ( z )

     x' ' +3 x' ' −4 x=5⟹ x=variable dependiente x=-  ( , ) 1 1 . x= -  ( z )

    GRADO @ ORDEN DE UNA ECUACIÓN DIFERENCIAL

    • =R=TER>*T>=*

    R+E? +E @? E=@=>A? +>ERE?=>

    E$ o#!en !e una ecuacin !i"e#encia$ $o !e,ne $a !e#ia!a !e ma&o# o#!enino$uc#a!a en $a ecuacin

    %R+ +E @? E=@=>A? +>ERE?=>

    E$ (#a!o !e una ecuacin !i"e#encia$ $o !e,ne $a otencia a$a que este$ea!a $a !e#ia!a !e ma&o# o#!en. Bo# siem#e & cuan!o esta ecuacinue!a se# e#esa!a como un o$inomio.

    ECUACION DIFERENCIAL LINEAL

    *e !ice que una ecuacin !i"e#encia$ es $inea$ cuan!o cum$e con $assi(uientes con!iciones:

    • =uan!o es !e #ime# (#a!o.• ?o contiene #o!uctos !e $a a#ia$e !een!iente en sus !e#ia!as.• ?o contiene #o!uctos !e $a !e#ia!a ent#e si.• ?o ino$uc#a "unciones t#i(onomt#icas & $o(a#ítmicas en $a a#ia$e

    !een!iente.

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    26/69

    ECem$os:

    +ete#mina# e$ (#a!o< o#!en & $a $inea$i!a!.

    1¿ d

    3 y

    dt 3 +2

     d2 y

    dt 2 +3

    dy

    dt  −4 y=e2 t c+st 

    O2"EN :3

    2A"O :1°

     Es /naec/aci3ndi-erencial lineal .

    2¿d

    4 x

    dt 4 +(d

    2 x

    dt 2 )

    2

    +2dx

    dt  =0

    O2"EN : 4 °

    2A"O :1°

     Es /naec/aci3n di-erencial n+ lineal

    3

    ¿(d2 y

    dx2 )¿1/4+ dydx +3 y= x3+2 x

    O2"EN :2d+

    2A"O:1

    °

     Es /naec/aci3n di-erencial n+ lineal

    (2t ) y ' ' +3 sent y ' +2 y ' =¿4¿cos ¿ 0

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    27/69

    O2"EN :2d+

    2A"O :1°

     Es /naec/aci3ndi-erencial lineal

    SOLUCIÓN DE UNA ECUACIÓN DIFERENCIAL

    Es una "uncin !e una so$a a#ia$e in!een!iente que contiene un nDme#o !econtantes esencia$es & a#it#a#ias i(ua$ a$ o#!en !e $a ecuacin !i"e#encia$ &que a$ sustitui#$a en $a ecuacin !i"e#encia$ $a t#ans"o#ma en una i!enti!a!.

    Solu!"# (%'+!ul%' $e u#% eu%!"# $!&e'e#!%l

    Es una "uncin !e una so$a a#ia$e que se otiene !e $a so$ucin(ene#a$< a$uan!o sus contantes esencia$es &a a#it#a#ias & que a$sustitui#$a en $a ecuacin B $a t#ans"o#ma en una i!enti!a!.

    Ee)(lo:

    +ete#mina# cu$es !e $as si(uientes "unciones es so$ucin !e$a ecuacin!i"e#encia$< !e,nien!o a$ mismo tiemo cu$ !e e$$as es $a so$ucin

    a#ticu$a#.

     y '' −3 y ' −10=12 e x+12e2 x

    a¿ y ( x )=e5 x+2e−2 x−e x−e2 x

    b¿ y ( x )= Ae5 x+* e2 x−e x−e2 x

    c ¿ y ( x )= x e5 x+2e2 x−3e− x

    *@=>A? a)   y=e5 x+2e−2 x−e x−e2 x

     y' =5e5 x−4e−2 x−e x−2e2 x

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    28/69

     y'' =25 e5 x−8 e−2 x−e x−4 e2 x

    5e5 x−4e−2 x−e x−2e2 x

    25e5 x−8e−2 x−e x−4e2 x

    −10e5 x

    −20e−2 x

    +10 e x

    +10e2 x

    (25−15−10 ) e5 x+(8+12−20 ) e−2 x+(3−1−10)

     y ' ' 

     y ' 

    −10 y12e

     x+12e x

    0e5 x+0e−2 x−8e x−12e x

    (25−15−10 ) e5 x (8+12−20 ) e−2 x+ (13−1 ) e x+(16−4 )e2 x

    0e5 x+0e−2 x12e x+12e x

     y ( x )= Ae5 x+* e2 x−e x−e2 x

     y ' =5 A e x−4*e2 x−e x−2e2 x

     y'' =25 A e5 x+8 *

    *@=>A? b¿ y ( x )= Ae5 x+* e2 x−e x−e2 x

     y= Ae5 x+* e2 x−e x−e2 x

     y ' =5 Ae5 x−2* e2 x−e x−e2 x

     y ' ' =25 Ae5 x−4 * e2 x−e x−4 e2 x

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    29/69

    25 Ae5 x+4 * e−2 x−e x−4 e2 x

    −15 Ae5 x+6 * e−2 x+3 e x+6 e2 x

    −10 Ae5 x−10 * e−2 x+10 e x+10 e2 x

    (25−13−10 ) Ae5 x−(10−10 ) * e−2 x (13−1 ) (16−4 )

     y4

    −3 y−10 y

    12 e x−12 e2 x

    0e5 x+0e−2 x12e x+12e2 x

    RESOLUCIÓN DE UNA ECUACIÓN DIFERENCIAL

    FORMA GENERAL

     xn+an xn−1+1+an−1 x

    ' +an x=& ( t ) Ec/aci+n di-erencial de+rdennlineal

     4 (a ) x=&(t )

    'E$"(C!)# %E #A ECAC!)# %!&E'E#C!A( %E *'!ME' "'%E#:

    dy

    dt  + 4 ( t ) y=& ( t )⟹ec/aci+ndi-erencieal de pri5er +rden n+ 6+5+7enea

    dydt  + 4 (t ) 7=0⟹ec/aci+n di-erencial de pri5er+rden6+5+7enea.

    /T+ +E *EBR=>A? +E FR>GE*. y

    ' −2 y=0

     y=variabledependiente

     x=variabledependiente

     dydx−2 y=0⟹

    dydx=2 y

    dy

     y =2dx⟹ inte7ra5+s∫ dy

     y =∫2dx

    lny+c=2 x+c2

     y ( x)

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    30/69

    lny=2 x+c

    2−c1k 

      last+lvas red+ndas

    lny=2 x+k 

    e ln  ( y)=e(2 x +k )= y=e2 x . ek 

    c

     y=c . e2 x s+l/ci3n

    Co)('o-%)os:

     y=c . e2 x en la ec/aci3n y ' −2 y=0

    2c . e2 x−2 (c .e2 x )=0

    2(−2c) .e 2 x=0¿

    0=0

    SOLUCION DE UNA ECUACION DIFERENCIAL DE PRIMER GRADO NOBOMOGENEA

     y' + p ( x ) y= Ec/aci+ndi-erencial de pri5er +rden n+ 6+5+7enea.

     4ri5er+ se+btienela 6+5+7enea as+ciada y ' + p ( x )=∫ p ( x ) dx

    ⟹ y ( x )=ce

    ⟹ yc ( x )

     y p ( x )=9   y ( x )= ye( x )+ yp ( x ) variaci3n de para5etr+s

     y p( x)=( x)e∫ p ( x ) dx

    tene# $a so$ucin !e $as si(uientes ecuaciones:

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    31/69

    1¿ y ' −2 y=e2 x+c+sx   2¿ y ' + y=e− x+senx

    3¿ y ' +2 y=3

    4 sen 3 t 

    *o$ucin  y ( x )= y c( x)+ pc( x)

    SOLUCIÓN: 1¿ y' −2 y=e2 x+c+sx

    1° se otiene $a ecuacin 'omo(nea asocia!a   ⟹ y' −2 y=0

    dydx−2 y=0⟹

    dydx=2 y⟹dy=2 ydx

    ⟹∫ dy y =∫2dx⟹ ln ( y )=2 x+c

    e ln  ( y)=e2 x+ c⟹ yc=Ce2 x

    Yp=( x)e2 x

    Sus+!+ue#$o %   Yp=( x)e2 x

     !e#ian!o

     y' = ( x ) e2 x+2e2 x ( x )   :/stit/i5+senla ec/aci3n+ri7inal= y ' −2 y=e2 x+c+sx

     x¿

    ' ( x ) e2 x+2 ( x ) e2 x−2 ( x ) e2 x=e2 x+cos¿

    e2 x ' ( x )=e2 x+cos x

    ' ( x )= e

    2 xcos x

    e2 x

      =e

    2 x

    e2 x+cos x

    e2 x

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    32/69

    1

    ea=e−a

    ( x )=1+e−2 x

    cos x

    1+e−2 x

    (¿)dx

    ( x )=∫ ¿ ( x )=∫ dx+∫ e−2 x

    cos x dx

    Obtene5+sla inte7ral

    ∫e2 x cos x dx aplicand + la -+r5/la:∫/−dv=/v−∫ vd/

     yc=C e2 x y p= ( x )e

    2 x ( x )= x+|e−2 x cos x dx

    ∫e−2 x cos xdx

    /=e−2 x dv=c+sx dx

    /' =−2e−2 xdx v=senx

    −2

    (.c+sx)(¿¿e−2 x dx )=2∫−e−2 x cos−2∫ ( e−2 x ) dx(e−2 x ) (−c+sx )−∫ ¿∫ e−2 x dxsenx=2∫ ¿

    ¿−2e−2 x cos x−4∫ e−2 xcos x dx

    est+es :

    ∫e−2 x c+sxdx=e−2 x senx

     z−4

    ∫e−2 xcos x dx

    ∫e−2 x cos x dx+4

    ∫e−2 x cos xdx=¿

    −2e2 xcos¿

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    33/69

     xsenx−2cos ¿

    ¿e−2 xcos xdx=e−2 x¿

    e−2 x ( senx−2c+sx )5∫ ¿

     xcos x−2cos ¿

    ( x )= x+e2 x

    5  ¿

    ¿¿ x

    senx−2cos ¿ x dx=1/5¿

    e2 x cos¿

    ∫¿

     y ( x )=C e2 x+1

    5(senx−2c+x)

    RE*FER:

    2¿ y ' + y=e− x+senx

    O-+e#e)os l% eu%!"# o)o0*#e% %so!%$%

     y ' + y=0⟹dydx+ y=0⟹

    dydx=− y⟹

    dy0 =−dx⟹ yc=C e

    − x

    tenemos $a ecuacin a#ticu$a#

    ( x )= ' ( x )e− x

     yp= ( x ) e− x y ' ='  ( x ) e− x+(−e− x)¿

     Ent+nces :

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    34/69

    ) ( X ) e− x− ( x )+ ( x ) e− x=e− x+senx¿

    ' ( x ) e− x=e− x+sen x⟹ ' ( x )= e

    − x

    e− x +

    senx

    e− x  =1+e

    − xsenx

    calc/la5+slainte7ral

    8 X ¿=∫1+e− x senx dx= x+∫1+e− x senxdx

    aplica5+s lainte7raci3n p+r partes

    /=e x d/=e x dx

    dv=sexdxv=−c+sx

     x−cos ¿(e x dx)

    ¿¿¿

     x−∫ ¿e x senxdx=−e xcos ¿

    ∫ ¿

    ¿−e x cos x+∫e x c+sx dx

    inte7ra5+sden/ev+

    /=e x d/=e x dx   dv=cos xdx v=senx

    res+lve5+s:

    ∫e x senxdx=e x c+sx+e x senx−∫ (senx ) (e x dx )

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    35/69

     x

    senx−cos¿−∫ e x senxdx¿

    e x senxdx=e x ¿

    ∫¿

     x

    senx−cos ¿¿

    e x

    s en xd x=e x¿2∫¿

    ∫e x senxdx=e x

    2(senx−c+sx )

    ( x )= x+ e x

    2( senx−c+sx )

     x

    senx−cos¿e− x=¿e− x . x+1

    2(senx−c+sx)

     y ( p)=( x+e

     x

    2 ) ¿

     x e− x+1

    2(senx−c+x)

    e− x+¿ y ( x )=¿

    ¿ (c+ x )e− x+1

    2(senx−c+sx)

    ECUACIÓN DIFERENCIAL DE ORDEN #

    ECem$o:

     +ete#mina# $a so$ucin !e$as si(uientes ecuaciones

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    36/69

    1¿ y ' ' ' −5 y' ' +7 y ' +13 y   2¿ y ' v+8 y ' ' +18 y=0

    3¿ y v−9 y ' v+34 y ' ' ' −66 y ' ' +65 y ' −25 y=0 si61=62=2+i

    Resol,!e#$o:   1¿ y' ' ' −5 y' ' +7 y ' +13 y 7

    ( "3−5 "2+7 "+13) y=0

     #3−5 #2+7 #+13=0

    ==@/* R>=E*

     4O:I*E: 2AICE:=%1%13

     X 1=−1

     A6+ra tene5+s : #2−6 x+13=0

    aplica5+s la-+r5/la 7eneral para6allar las de5;sraices .

    1(13)¿

    (−6 )2−4¿−(−6 )%√ ¿

     #2,3=¿

    3%√ 36−522

      = #2.3=3%√ −16

    2  =3%

     4

    2=3%2i

    Esto es:

      1 -5 7 13

    1 1 -4 3

      1 -4 3 16

     

    1 -5 7 13

    -1 -1 6 -13

      1 -6 13 7

     

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    37/69

     #2=3+2i #3=3−2 i   x1=−1 y1 ( x )=C  1 e

    2 t +¿c3 t c2cos¿

    2,3=¿3%2 i⟹ y2 ( x )=e3t 

    ¿ #¿

    a=3b=2   est+es :   #=a+bi⟹ y=eat (c1bt +c2 senbt )3sen2 t 

    c1 cos2 t +c¿ y (t )=c1 e

    −t +e3 t ¿

    EJERCICIO 2¿ y' v+8 y ' ' +18 y=0

    ( "4+8 "2+16 ) y=0   #4+8 #2+16=0   #2= A

     A2+8 A+16=0Obtene5+sel -act+r c+5

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    38/69

    3=¿ #4=2+ ia=2, b=11=¿ #2=2+i = #¿

    si #¿

    ( "5−9 "4+34 "3−66 "2+65 "−25) y=0

     #5−9 #4+34 #3−66 #2+65 #−25

    calc/l+de raices:

     #=1 y (t )=c1 e− x+e2 x(( c2+c3 # )+c+sx+(c4+c5 x ) senx)

    SOLUCIÓN DE UNA ECUACIÓN DIFERENCIAL # NO BOMOGENEA

    PHD1H1

    1¿COE0ICIEN>E: IN"E2>E2?INA"O:   2¿$A2IACI N "E 4A2A?E>2O:

    COE0ICIEN>E: IN"E2>E2?INA"O::

     y '' +2 y ' + y=2 x+3   para ell++c/pa5+s laec/aci3n di-erencial 6+5+7eneaas+ciada

     y '' +2 y ' + y=0

    ( "2+2 "+1 ) y=0

     #2+2 #+1=0+btene5+s -act+rc+5

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    39/69

    ent+ncestene5+s&/e :   & ( " )= " 2⟹O4E2A"O2 ANIUIA"O2

    ( "2 ) ( "2+2 "+1 ) y= ( "2 ) (2 x+3 )   ( "2 ) ( "2+2 "+1) y=06+5+7enea

    ( #2

    ) ( #2

    +2 #+1 )=0⟹ #1= #2=0 #3= #4=−1   y ( x )= (c1+c2 x ) e− x

    + (c3+c4 x) e0 x

     yp

     yp= A+*X ⟹ A !* c+e-icientes inderter5inad+s . :U:>I>UI?O: EN A ECUACI N O2IINA

    Y4= A+*x   Y '  4=*   Y ' '  4=0   0+2 (* )+ ( A+*X )=2 X +3   *X +2 *+ A=2 X +3

     IUAAN"O *=2 2 *+ A=34+ A=3⟹ A=−1   Y4=−1+2Y 

     y ( x )= (c1+c2 x ) e− x+2 x−1

    L !"S#O"$% %& LPL'&

    Pierre Simon $arqu() de Laplace 9$5; astrónomo francéstan famoso en su tiem"o #ue se le conocía como el e?ton de rancia. Sus"rinci"ales cam"os de interés fueron la (ec2nica *eleste, o movimiento"lanetario, la teoría de "roailidades, > el "ro1reso "ersonal. Pruea de sustalentos son:

    $. Mécanique Céleste monumental tratado en sore cuestiones de 1ravitación"ulicado en cinco vol@menes entre los anos de $;; > $=/6. El "rinci"al

    le1ado de esta "ulicación reside en el desarrollo de la teoría de "otencial,con im"licaciones de lar1o alcance en ramas de la ísica #ue van desde la1ravitación, la mec2nica de fluídos, el ma1netismo > la física atómica.

    /. Théorie Analytique des Probabilités  #ue se considera la m2s 1randecontriución a esa "arte de las matem2ticas. *omo anecdota, el liro iniciacon "alaras #ue mas o menos dicen "n el !ondo la teor#a de

     probabilidades no es si no el sentido común reducido a c$lculosA, "uede ser 

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    40/69

    #ue si, "ero las BB "21inas #ue le si1uen a esas "alaras son un an2lisisintrincado, en el cual usa a discreción la transformada de la"lace, lasfunciones 1eneratrices, > muc0as otras técnicas no triviales.

    *+, !"-S#O"$% %& LPL'&

    'a Transformada de 'a"lace es una técnica (atem2tica #ue forma "arte deciertas trans!ormadas integrales como la transformada de ourier, la transformadade Cilert, > la transformada de (ellin entre otras. 'a transformada de 'a"lace"uede ser usada "ara resolver Ecuaciones +iferenciales 'ineales > EcuacionesInte1rales. !un#ue se "ueden resolver al1@n ti"o de E+ con coeficientes variales,en 1eneral se a"lica a "rolemas con coeficientes constantes.

    cuando tal inte1ral con%erge

    -otas

    $. 'a letra s  re"resenta una nueva variale, #ue "ara el "roceso deinte1racion se considera constante

    /. 'a transformada de 'a"lace convierte una funcion en t  en una funcion en lavariale s 

    3. *ondiciones "ara la eDistencia de la transformada de una función:

    $. +e orden eD"onencial

    /. *ontinua a tro8os

    *+. O/!&-'01- %& L !"-S#O"$% %& LPL'&&emplo ,: Otener la transformada de 'a"lace de:

    &emplo 2: Otener la transformada de 'a"lace de:

    f 3t45 t+

    a"licando la inte1ración "or "artes:

    http://www.mty.itesm.mx/etie/deptos/m/ma-841/laplace/home.htm#Convergenciahttp://www.mty.itesm.mx/etie/deptos/m/ma-841/laplace/home.htm#orden_exponencialhttp://www.mty.itesm.mx/etie/deptos/m/ma-841/laplace/home.htm#funcion_seccionadahttp://www.monografias.com/trabajos11/funpro/funpro.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos11/funpro/funpro.shtmlhttp://www.mty.itesm.mx/etie/deptos/m/ma-841/laplace/home.htm#orden_exponencialhttp://www.mty.itesm.mx/etie/deptos/m/ma-841/laplace/home.htm#funcion_seccionadahttp://www.monografias.com/trabajos11/funpro/funpro.shtmlhttp://www.mty.itesm.mx/etie/deptos/m/ma-841/laplace/home.htm#Convergencia

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    41/69

    LFtG H

    en 1eneral : LF G H

    &emplo .: Otener la transformada de 'a"lace de:

    Sen at+

    Paso ,+  resolviendo la inte1ral "or "artes:

    Paso 2+ 

    Paso .+ 

    Paso *+  Inte1rando "or "artes:

    Paso 7+ uH *os at duH simult2neamente latransformada de *os at :

    http://www.monografias.com/trabajos11/metods/metods.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos11/metods/metods.shtml

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    42/69

    Paso ,+ 

    Paso 2+ Sustituir Sen at "or :

    Paso .+  LF G

    Paso *+ *omo en el eJem"lo $,se otuvo entonces en este

    caso:

    Paso 7+ 

    Utili8ando la identidad de Euler:

    > a"lic2ndola a éste caso:

    Paso 6+ 

    Paso 8+ !"licando la "ro"iedad de las i1ualdades en:

    se otiene #ue

    > #ue "esultados+

    Propiedades de la transformada de Laplace+

    0) Si f9t), f$ 9t) > f/9t) "oseen transformadas de 'a"lace >,* es una constanteentonces:

    Paso ,+ L F f9t)K L f$9t)K L f/9t) G H L Ff9t)G K L F f$9t)G K L F f/9t) G

    Paso 2+ L F * f9t) G H * L F f9t) G

    00 ) Si 9s) H L F f9t) G , entonces:

    L F G H

    EJem"lo: Otener

    Paso ,+ L F G H 9

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    43/69

    Paso 2+ 

    Paso .+ 

    Paso *+ F "esultado+

    *+* !/LS %& L !"-S#O"$% %& LPL'&

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    44/69

    *+7 !&O"&$S %& !"SL'01- ; %&"0

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    45/69

    EQE(P'O $ Primer teorema de traslación

    Evaluando

    SO'U*IO 'os resultados son consecuencia del teorema.

    orma inversa del "rimer teorema de traslación si , la forma inversadel teorema .6 es

     

    EQE(P'O / *om"letar el cuadrado "ara determinar '

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    46/69

     

    "ero como este término cuadr2tico no se factori8a, com"letamos su cuadrado.

     

    EQE(P'O 3 *om"letar el cuadrado > linealidad

    Eval@e

    SO'U*I- *om"letamos el cuadrado en el se1undo denominador > a"licamos lalinealidad como si1ue:

     

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    47/69

    5.7 TR!SOR(!+! +E '!P'!*E IERS!

    'a Transformada inversa de una función en s, di1amos &'s( es una función de t  cu>a transformada es "recisamente &'s(, es decir

    si es #ue acaso

    Esta definición oli1a a #ue se cum"la:

    >

    Transformada Inversa de 'a"lace:

    EQE(P'OS

    *aso:

    +enominador "otencia de s 

    EJem"lo+etermine:

    Solución+istriuimos "rimeramente el denominador:

    Usando la "ro"iedad de linealidad  tenemos:

    Utili8ando a0ora la tala de transformadas tenemos:

    http://www.mty.itesm.mx/etie/deptos/m/ma-841/laplace/home.html#Teorema1http://www.mty.itesm.mx/etie/deptos/m/ma-841/laplace/home.html#Teorema1

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    48/69

    Por tanto:

    *aso:

    +enominador "otencia de 's)a( 

    EJem"lo

    +etermine:

    SoluciónEl denominador domina el "roceso "ara a"licar el "rimer teorema de traslacióndeemos 0acer #ue la eD"resión sea una en s*+. Para ello todas las s en elnumerador las camiaremos "or s*+)+:

    O:

    El termino s*+ es s)a, es decir a,)+ > al a"licar el "rimer teorema de traslación tenemos:

    si1uiendo la "ro"iedad de linealidad:

    Caciendo uso de la tala de transformadas:

    http://www.mty.itesm.mx/etie/deptos/m/ma-841/laplace/home.html#Teorema2http://www.mty.itesm.mx/etie/deptos/m/ma-841/laplace/home.html#Teorema1http://www.mty.itesm.mx/etie/deptos/m/ma-841/laplace/home.html#Teorema2http://www.mty.itesm.mx/etie/deptos/m/ma-841/laplace/home.html#Teorema1

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    49/69

    Por tanto

    5.= TR!SOR(!+ el ! +E '!P'!*E +E U! E*U!*I- +IERE*I!''IE!'

     

    Solución de ecuaciones diferenciales

    'a transformada de 'a"lace es @til "ara resolver ecuaciones

    diferenciales #ue involucran funciones , "eriódicas, funcionesdiscontinuas a tro8os o deltas de +irac, como lo muestran lossi1uientes eJem"los.

    EJem"loResuelva el si1uiente "rolema de valor inicial

    SoluciónTomando la transformada a amos lados, tenemos #ue

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    50/69

    al a"licar la transformada inversa

    'a 1r2fica de la solución se muestra en la fi1ura $.$B

    i1ura $.$B

    EJem"loResuelva el si1uiente "rolema de valor inicial

    donde est2 dada "or

    Solución

    'a función "uede inter"retarse como una fuer8a eDterna #ue act@aen un sistema mec2nico sólo "or un tiem"o corto, siendo desactivada"osteriormente. !un#ue este "rolema "uede resolverse de la formaconvencional no es conveniente.

    http://www.tec-digital.itcr.ac.cr/revistamatematica/cursos-linea/EcuacionesDiferenciales/EDO-Geo/edo-cap5-geo/laplace/node12.html#1.10http://www.tec-digital.itcr.ac.cr/revistamatematica/cursos-linea/EcuacionesDiferenciales/EDO-Geo/edo-cap5-geo/laplace/node12.html#1.10

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    51/69

    Primero usemos la función de Ceaviside "ara reescriir :

     !"licando transformada tenemos #ue

     !l a"licar la transformada inversa otenemos

    'a 1r2fica de se muestra en la fi1ura $.$$. 

    i1ura $.$$

    EJem"lo

    Resolver el si1uiente "rolema de valor inicial

    Solución

    http://www.tec-digital.itcr.ac.cr/revistamatematica/cursos-linea/EcuacionesDiferenciales/EDO-Geo/edo-cap5-geo/laplace/node12.html#1.11http://www.tec-digital.itcr.ac.cr/revistamatematica/cursos-linea/EcuacionesDiferenciales/EDO-Geo/edo-cap5-geo/laplace/node12.html#1.11

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    52/69

    En este caso la ecuación diferencial tiene coeficientes variales, "or lo#ue la transformada de 'a"lace resulta mu> @til.

    ElB

    B

    B

    Inte1rando otenemos #ue

    +e donde otenemos #ue

    Para determinar el valor de osérvese #ue . *on

    lo cual la solución al "rolema est2 dada "or .

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    53/69

    *!PTU'O

    SISTE(! +E E*U!*IOES +IERE*I!'ES

    6.$ SISTE(! +E E*U!*IOES +IERE*I!'ES +E PRI(ER OR+ECO(OEO

    • TEORI! &!SI*! +E 'OS SISTE(!S 'IE!'ES +E E*U!*IOES +EPRI(ER OR+E

    Sea un sistema de n ecuaciones diferenciales lineales de $ er  orden

    ...

    Utili8ando notación matricial el sistema se "uede escriir 

    donde

    > su derivada

    >

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    54/69

    Esta notación, adem2s de sim"lificar la escritura, enfati8a el "aralelismo entre lossistemas > las ecuaciones diferenciales lineales de "rimer orden.

    Se dice #ue un vector D H F 9t)G es solución del sistema si sus com"onentessatisfacen todas las ecuaciones del sistema.

    Su"ón1ase #ue P > # son continuos en un intervalo N t N . En "rimer lu1ar, se estudia la ecuación 0omo1énea

    9$)

    Una ve8 #ue esta ecuación esté resuelta se resolver2 la no sustituirla en 9$)

     !"arentemente se "ueden encontrar infinitas soluciones, "or ello se deecuestionar acerca del n@mero mínimo de soluciones inde"endientes #ue 1enerantodas > cada una de las soluciones del sistema.

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    55/69

    Por similitud a los temas "revios se "uede afirmar #ue 0ar2 n. Sean , , ......,. *onsidérese la matri8 formada "or estos vectores columna sólo si el determinante es distinto de cero en ese "unto. !l

    determinante de se le llama ?ronsViano de las n soluciones.

    Teorema  

    Si las funciones vectoriales , , ......, son soluciones linealmenteinde"endientes del sistema 9$) en cada "unto de N t N entonces la solución del sistema F 9t)G "uede ser eD"resada como una cominación lineal de ,, ......, .

    Para demostrarlo véase #ue con sólo ele1ir adecuadamente los valores de lasconstantes se "uede otener la solución F 9t)G #ue cum"la unas determinadascondiciones de contorno en un "unto del intervalo

    N t N

    Sean estas condiciones

    siendo

    Si

    Sustitu>endo el valor se otienen n ecuaciones al1eraicas de la forma:

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    56/69

     

    Este sistema tiene solución "ara las incó1nitas , , ........, si el determinantede los coeficientes es distinto de cero. *omo el ?ronsViano es distinto de cero

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    57/69

    Por consi1uiente se lle1a a #ue

    Inte1rando se otiene #ue

    siendo X una constante de inte1ración.

    Una ve8 reali8ada este c2lculo se "uede estudiar otro teorema.

    Teorema /

    Si , , ......, son soluciones de

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    58/69

    en el intervalo Nt N entonces en este intervalo el ?ronsViano o es cero o nunca es cero.

    'a demostración sur1e como una consecuencia de la fórmula de !el. Si lasfunciones son continuas en 9 , ) la tra8a de la matri8 P9t) es una función

    continua > "or consi1uiente la función eD"onencial no se anula "ara valores de D"ertenecientes al intervalo 9 , ). El @nico valor #ue "uede ser cero es la constante X. Si lo es, el ?ronsViano es cero "ara cual#uier valor de D en casocontrario, nunca se anula.

    Teorema +

    Si se llama

    , , ... ,

    > las soluciones , , ......, son tales #ue

    donde t es cual#uier "unto en Nt N , entonces , , ......, son conocidascomo soluciones fundamentales > cual#uier solución del sistema se "uedeeD"resar como una cominación lineal de estas soluciones fundamentales.

    'a demostración es una consecuencia de lo visto en teoremas anteriores. Estassoluciones fundamentales son linealmente inde"endientes, >a #ue en un "unto delintervalo su ?ronsViano es distinto de cero en concreto, vale uno. !l ser unconJunto de n soluciones linealmente inde"endientes constitu>e un conJunto1enerador de soluciones.

    6./ SISTE(! +E E*U!*IOES +IERE*I!'ES +E PRI(ER OR+ECO(EO

    En este a"artado se constru>e la solución 1eneral de un sistema de ecuaciones

    lineales 0omo1éneas con coeficientes constantes.

    Sea el sistema

    DY H !ZD

    donde ! es una matri8 n D n. Por analo1ía a las ecuaciones lineales de "rimer orden con coeficientes constantes, se usca una solución de la forma

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    59/69

    donde el vector a > el escalar r son constantes a determinar. Sustitu>endo en laecuación diferencial se lle1a a:

    como no es cero, se otiene #ue

    o

    9! valores "ro"ios de la matri8 !.Por tanto el vector

    solución del sistema viene definido "or los valores r #ue son los autovalores de ! >los vectores a son sus autovectores asociados.

    EJem"lo

    Su"oniendo

    se lle1a a #ue

    lue1o

    Son soluciones:

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    60/69

    >

    > los autovectores asociados son:

    Por tanto las soluciones son

    >

    El ?ronsViano es

    #ue no es cero, "or tanto, la solución 1eneral es:

    "uesto de otra forma:

    Para visuali8ar estos resultados se "ueden re"resentar en el "lano lassoluciones "ara distintos valores de > .

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    61/69

    olviendo al sistema ori1inal, los autovalores 9"uede 0aer raíces m@lti"les)son las raíces de:

    det 9! < rZI) H B

     !) Sistema Cermítico:

    'a situación m2s sim"le se da cuando ! es una matri8 0ermítica 9una matri8 #uees i1ual a su trans"uesta conJu1ada en el caso de ser de elementos reales, unamatri8 0ermítica es sinónima de simétrica). *omo se sae las raíces son todasreales. !un#ue 0a>a al1una re"etida 0a> siem"re un conJunto de n autovectores

    linealmente inde"endientes, #ue adem2s se "ueden ele1ir de modo #uesean orto1onales.

    Por tanto las soluciones del sistema son:

    ...

    Estas soluciones son linealmente inde"endientes >a #ue su ?ronsViano es:

    cada una de las columnas son los vectores "ro"ios, #ue son inde"endientes entresí. Por consi1uiente su determinante es distinto de cero > como tamién lo es elfactor eD"onencial #ue a"arece en la fórmula anterior, entonces W B. 'assoluciones son linealmente inde"endientes, > la solución 1eneral es:

    &) Sistema no 0ermítico

    Sea la matri8 ! de valores reales. Pueden "resentarse varios casos:

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    62/69

    $) n valores "ro"ios reales > distintos. Car2 n vectores "ro"ios linealmenteinde"endientes. 'a solución ado"ta la forma del caso 0ermítico.

    /) valores "ro"ios com"leJos

    3) valores "ro"ios re"etidos, tanto reales como com"leJos. *omo no todos losvalores "ro"ios m@lti"les tienen tantos vectores asociados como el orden de sumulti"licidad, necesitan una consideración es"ecial.

     

    EJem"lo del caso 0ermítico

    El "olinomio característico de la matri8 ! es:

    > sus raíces son

    *on :

    lue1o

     

    *on H

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    63/69

    Solución 1eneral:

     

    "uesto de otro modo

    Es interesante estudiar el com"ortamiento de estas funciones en el "lano defases, es decir en el "lano cartesiano .

    EJem"lo /

    'os valores "ro"ios son /.

    'os vectores "ro"ios asociados:

    a) al valor

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    64/69

     !UTO!'ORES *O(P'EQOS

    Sea la matri8 real ! entre los valores "ro"ios de ! 0a> al1uno com"leJo. Si ! es real > es com"leJo

    Se "uede oservar #ue, calculando la conJu1ada se otiene

    >a #ue ! e I son matrices reales. Esto si1nifica #ue, siendo un valor "ro"io

    com"leJo, su com"leJo conJu1ado tamién es valor "ro"io. 'ó1icamente losvectores "ro"ios asociados ser2n com"leJos > entre sí com"leJos conJu1ados.

    Sea un valor "ro"io com"leJo > su vector asociado, oviamente los valoresconJu1ados > definen tamién una solución. !sí,

    si

    entonces

    tamién ser2 solución:

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    65/69

     

    Por tanto

    Solución:

    'a re"resentación en el "lano de fases es:

    6.3 SISTE(!S +E E*U!*IOES +IERE*I!'ES O CO(OEOS

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    66/69

    Sea el sistema

    Su"ón1ase resuelto el sistema 0omo1éneo

    > ll2mese 9t) a la matri8 fundamental de las soluciones. Se van a distin1uir distintos casos:

     !) Si P9t) H !, matri8 constante dia1onali8ale.

    'lamando T a la matri8 de los vectores "ro"ios de ! > 0aciendo el camio devariale

    D H TZ>resulta

    *omo T es no sin1ular 

    "ero

    9matri8 dia1onal de los valores "ro"ios)

    Por consi1uiente

    en com"onentes

    9no 0a> suma en índices re"etidos)

    'ue1o

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    67/69

    +es0aciendo el camio de variale

    D H TZ>

     

    &) ariación de los "ar2metros

    *onocida 9t), matri8 fundamental de la ecuación 0omo1énea se usca unasolución de la forma

    u dee ser determinado de modo #ue el vector D sea solución del sistema.

    DY H P9t)ZD K [9t)

    Sustitu>endo

    "ero

    >a #ue las columnas de J son solución de la 0omo1énea. 'ue1o

    'ue1o la solución 1eneral ser2

    6.6 (!TRI4 EPOE*I!', TEORE(! +E C!(I'TO

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    68/69

    Si la matri8 tiene al1una "otencia nula , es decir si es nil"otente deorden , entonces > lo anterior se convierte en

    una suma finita. Por eJem"lo la matri8 es nil"otente de orden

    "or tanto sus "otencias su"eriores a se anulan> así su eD"onencial es la si1uiente suma

    Si "or el contrario no es nil"otente nos vemos oli1ados a considerar un"roceso de "aso al límite.

    Por eJem"lo "ara la matri8 se tiene #ue , > "or tanto sus

    "otencias "ares dan la identidad, > sus "otencias im"ares vuelven a dar denuevo la matri8 .

  • 8/17/2019 APUNTES.docx de Ecuaciones

    69/69

     !sí la eD"onencial de es la si1uiente serie

    Este "roceso de "aso al límite "uede ser mu> com"leJo en 1eneral > es a#uídonde la forma normal 9o canónica ) de Qordan nos "uede ser mu> util.

    *omo curiosidad fiJémonos #ue la matri8 anterior no es nil"otente, aun#ue essuma de dos nil"otentes