Variación de parámetros

En matemáticas, la variación de parámetros, también conocida como variación de constantes, es un método general ideado por Joseph-Louis de Lagrange para resolver ecuaciones diferenciales lineales no homogéneas.

Normalmente es posible encontrar soluciones por factor integrante o por coeficientes indeterminados para ecuaciones diferenciales lineales no homogéneas de primer orden con considerablemente menos esfuerzo, sin embargo, estos métodos involucran adivinar y no funcionan con todas las ecuaciones diferenciales lineales no homogéneas.

La variación de parámetros también se aplica en ecuaciones diferenciales parciales. Específicamente, se hace en problemas con ecuaciones diferenciales no homogéneas como lo son la ecuación del calor, la ecuación de onda y la ecuación de la plataforma vibratoria. En este contexto, el método es más comúnmente conocido como el principio de Duhamel (si la ecuación diferencial es de orden 1), descrito por Jean-Marie Duhamel, que fue el primero en aplicar este método para resolver la ecuación diferencial no homogénea del calor. Es por ello que a veces, el método de variación de parámetros es llamado el principio de Duhamel y vice-versa.

Historia

El método de variación de parámetros lo desarrolló por primera vez de forma explícita el matemático italo-francés Joseph-Louis Lagrange en el contexto de la mecánica celeste. Tras una primera versión de 1766, entre 1778 y 1783, Lagrange lo desarrolló en una serie de memorias publicadas: una sobre la variación del movimiento de los planetas y la otra sobre la determinación de la órbita de un cometa a partir de tres observaciones distintas.
Finalmente entre 1808 y 1810, Lagrange dio al método de variación de los parámetros su forma final en una tercera serie de artículos.

Aun así, Lagrange no fue el primero en darse cuenta de la utilidad de la esencia del método, pues había sido empleado anteriormente de forma muy concreta (haciendo uso de la idea del método sin sistematizarlo) por los matemáticos Johann Bernoulli y Leonhard Euler. Euler lo implementó (de nuevo, indirectamente, pues no era un método per se) en tres investigaciones concretas (1748,1749 y1753).

Explicación del método

Consideramos la ecuación lineal de orden 

 .     

Dadas  soluciones linealmente independientes  de la ecuación homogénea asociada (con ) queremos encontrar una solución particular de . Definiendo

podemos escribir la ecuación  como el sistema lineal no homogéneo de orden 1 siguiente:

 .

En este caso, 

son  soluciones linealmente independientes al sistema homogéneo asociado (con ), por lo que la solución general de dicho sistema es

 con  constates arbitrarias.

Ahora, para buscar una solución particular  de  , sustituiremos las constantes  en la expresión anterior por funciones escalares  desconocidas que trataremos de hallar. Es decir, buscamos una solución particular de la forma 

.

Esto es precisamente lo que constituye la idea del método de variación de parámetros. 

Utilizando que  son soluciones de , se obtiene que 

 , 

por lo que si imponemos que  sea solución de  , se tiene que cumplir que

,

es decir, 

La solución de este sistema es  donde

.

Nótese que  existe gracias a que su determinante es distinto de cero, pues  son soluciones linealmente independientes de . De hecho, el determinante de la matriz  es precisamente el Wronskiano,

Como todas las componentes del vector  son cero salvo la última, solo hace falta conocer la última columna de  , 
luego la solución  al sistema  es

Integrando  se obtiene explícitamente   para  y la solución particular buscada de  es

 

Como  para  tiene como primera componente , entonces se obtiene que 

es una solución particular de .

Notas

Bibliografía 

 
 , pages 186-192, 237-241
 
 H. Ibragimov, N. H. I. (Ed.1). (2009). Archives of ALGA (Vol. 6). ALGA publications.
  : Parte4, Cap 16, Parte01; Parte 7, Cap25, Parte01; Parte4, Cap16, Parte03; Parte5, Cap17, Parte02.
G.F. Simmons: “Differential Equations with Applications and Historical Notes, Third Edition (2016)” : Capítulo 3, Apéndice A. Página 170; Capítulo 3,  Páginas 133-136; Capítulo 12, Apéndice A, Página 606.

Enlaces externos 
 Online Notes / Proof by Paul Dawkins, Lamar University.
 PlanetMath page.
 Motivation of method via celestial mechanics

Ecuaciones diferenciales ordinarias