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⭐Tema 1 Generalidades sobre Ecuaciones Diferenciales Ordinarias (E.D.O.)
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Joaquín de la Cruz Saavedra
1 Tema 1 Generalidades sobre Ecuaciones Diferenciales Ordinarias (E.D.O.) 1.1 Definiciones Se llama ecuación diferencial a toda ecuación que contiene las derivadas de una o más variables dependientes respecto a una o más variables independientes. Se llama ecuación diferencial ordinaria (E. D. O.) a una ecuación diferencial en la que aparecen derivadas ordinarias de una o más variables dependientes respecto a una única variable independiente. Se llama ecuación diferencial en derivadas parciales (E. D. P.) a una ecuación diferencial en la que aparecen derivadas parciales de una o más variables dependientes respecto a más de una variable independiente. 12 2 1. Generalidades sobre Ecuaciones Diferenciales Ordinarias (E.D.O.) Muchas de las leyes generales de la naturaleza encuentran su expresión más natural en el lenguaje de las ecuaciones diferenciales. También tienen múltiples aplicaciones en Geometría, Ingeniería, Economía y muchos otros campos de las Ciencias Aplicadas. Se denomina orden de una ecuación diferencial al orden de la derivada más alta entre todas las que figuran en dicha ecuación. Ejemplo 1 La ecuación: d2 y dx 2 + xy(dy dx )3 = e x tiene orden 2. Una ecuación diferencial ordinaria lineal de orden n en la variable dependiente y y en la variable independiente x es una ecuación que puede expresarse de la forma: a 0 (x) dn y dx n + a 1(x) dn 1 y dx n a n 1(x) dy dx + a n(x)y = b(x), donde a 0 (x) es una función no idénticamente nula.3 1.1 Definiciones 3 Ejemplo d3 y dx 3 + y = 2 es una E. D. O. lineal de orden 3 y coeficientes constantes. d 2 y dx + 5 dy 2 dx + (x2 2)y = 22x es una E. D. O. lineal de orden 2 y coeficientes variables. xe x d4 y = 25 x3 dx4 es una E. D. O. lineal de orden 4 y coeficientes variables. 4. ( d 2 y dx 2 es una E. D. O. no lineal de orden 2. ) 2 + 5y dy dx = x4 4 1. Generalidades sobre Ecuaciones Diferenciales Ordinarias (E.D.O.) Consideremos la E. D. O. de orden n: F (x, y, dy dx, d2 y dx 2,..., dn y dxn) = 0, donde F es una función real de sus (n+2) argumentos. Sea f una función real definida para todo x en un intervalo real I que posea derivada n-ésima en todo I. La función f es una solución explícita de la E. D. O. en el intervalo I si: F (x, f(x), f (x), f (x),..., f (n (x)) está definida para todo x de I y verifica: F (x, f(x), f (x), f (x),..., f (n (x)) = 0, x I. Es decir, la sustitución de y por f en la E. D. O. reduce la ecuación a una identidad en I. Se dice que una relación g(x, y) = 0 es una solución implícita de la E. D. O. en el intervalo I si esta relación define, al menos, una función real f de la variable x en I de manera que esta función sea una solución explícita de la E. D. O. en dicho intervalo I.5 1.1 Definiciones 5 Ejemplo 3 1. La función f definida en toda la recta real mediante: es una solución explícita de la E. D. O. f(x) = a sen(x) + b cos(x), a, b R d 2 y dx 2 + y = 0 en todo R, pues: f (x) + f(x) = 0, x R. 2. La relación: es una solución implícita de la E. D. O. x 2 + y 2 25 = 0 x + y dy dx = 0 en el intervalo I = ( 5, 5). En efecto, dicha relación define dos funciones: f 1 (x) = 25 x 2, x I, f 2 (x) = 25 x 2, x I, que son soluciones explícitas de la E. D. O. en I.6 6 1. Generalidades sobre Ecuaciones Diferenciales Ordinarias (E.D.O.) Observación 1 La relación: x 2 + y = 0 también podría ser una solución implícita de la E. D. O. x + y dy dx = 0, pues si derivamos dicha relación respecto a x se obtiene: que es equivalente a la E. D. O. 2x + 2y dy dx = 0, Por tanto, esta relación satisface formalmente la E. D. O. pero de aquí no podemos deducir que sea una solución implícita, ya que no define una solución real explícita. (La función: toma valores complejos en toda la recta real). f(x) = ± 25 x 2 En consecuencia, la relación es meramente una solución formal.7 1.2 Familias de curvas. Trayectorias ortogonales Familias de curvas. Trayectorias ortogonales Sea la familia de funciones o curvas: g(x, y, c 1, c 2,..., c n ) = 0 dependiente de n parámetros. La derivación n veces con respecto a la variable x conduce a (n + 1) ecuaciones de las que se podrán eliminar las n constantes y obtener una relación de tipo: esto es, una E. D. O. de orden n. F (x, y, y, y,..., y (n ) = 0, A dicha familia de curvas se le denominará solución general de la E. D. O. correspondiente. Ejemplo 4 1. g(x, y, c) = y x 2 c es una familia de parábolas. 2. g(x, y, a, b, r) = (x a) 2 + (y b) 2 r 2 es una familia de circunferencias.8 8 1. Generalidades sobre Ecuaciones Diferenciales Ordinarias (E.D.O.) Observación 2 En general, la familia de curvas no englobará todas las soluciones de la E. D. O. Observación 3 Tampoco se podrá asegurar que para una E. D. O. dada, exista una familia de curvas que sea su solución. Ejemplo 5 Sea la E. D. O. de primer orden: Las funciones de la forma: dy dx = 2x. g(x, c) = h c (x) = x 2 + c, x R, son soluciones de dicha ecuación para cualquier c R. Es decir, tenemos una familia de soluciones, que se denomina solución general. Cada una de las funciones de la familia es una solución particular de la ecuación. Sea la E. D. O. de primer orden: dy dx = G(x, y), donde G es una función real que hace corresponder a cada punto (x, y) una pendiente G(x, y). Supongamos que dicha E. D. O. tiene una familia de soluciones de la forma y = g(x, c) donde c es el parámetro de la familia.9 1.2 Familias de curvas. Trayectorias ortogonales 9 A su representación geométrica en el plano se le llama familia uniparamétrica de curvas (las pendientes de cada punto de las curvas vienen dadas directamente por la E. D. O.). Cada una de las curvas de la familia recibe el nombre de curva integral de dicha ecuación. Ejemplo 6 Consideremos de nuevo la E. D. O. de primer orden: Esta ecuación tiene una familia de soluciones: dy dx = 2x. y = x 2 + c, x R. Su representación geométrica es la familia uniparamétrica de curvas, donde cada una de las curvas integrales es una parábola.10 10 1. Generalidades sobre Ecuaciones Diferenciales Ordinarias (E.D.O.) Ejemplo 7 La E. D. O. de tercer orden: y (1 + (y ) 2 ) 3y (y ) 2 = 0 tiene como familia de soluciones: (x a) 2 + (y b) 2 = r 2 Su representación geométrica es una familia de curvas que depende de tres parámetros, a, b y r, donde cada una de las curvas integrales es una circunferencia. Observación 4 Puede ocurrir que la eliminación de los n paramétros de una familia de curvas lleve a una E. D. O. de orden menor que n. Esto ocurre cuando los parámetros no son esenciales. Por ejemplo, la familia de 2 parámetros: y = c 1 + log(c 2 x) tiene asociada la ecuación de primer orden: dy dx = 1 x. Pero, en realidad, dicha familia puede escribirse simplificadamente como dependiente de un único parámetro: y = log(c x)11 1.2 Familias de curvas. Trayectorias ortogonales 11 Trayectorias ortogonales Sea g(x, y, c) = 0 una familia uniparamétrica de curvas. Cuando una curva corta a todas las curvas de la familia en ángulos rectos, recibe el nombre de trayectoria ortogonal a la familia dada. Por ejemplo, dada la familia uniparamétrica de circunferencias centradas en el origen, x 2 + y 2 = r 2, cualquier recta pasando por el origen es una trayectoria ortogonal. Si g(x, y, c) = 0 es una familia uniparamétrica de curvas, tendrá asociada una E. D. O. de primer orden: dy dx = G(x, y). Por tanto, cualquier curva de la familia que pase por el punto (x, y) deberá tener pendiente G(x, y) en ese punto. Puesto que una trayectoria ortogonal a la familia corta a cada curva de la familia formando un ángulo recto, la pendiente de la trayectoria ortogonal en el punto (x, y) deberá ser 1 G(x, y).12 12 1. Generalidades sobre Ecuaciones Diferenciales Ordinarias (E.D.O.) Por tanto, la E. D. O. de la familia de trayectorias ortogonales será: dy dx = 1 G(x, y), que tendrá como solución una familia uniparamétrica g 1 (x, y, k) = 0. Ejemplo 8 Las trayectorias ortogonales a la familia uniparamétrica de parábolas: y = cx 2, son las elipses de la familia: x 2 + 2y 2 = k. Trayectorias oblicuas Sea g(x, y, c) = 0 una familia uniparamétrica de curvas. Se denomina trayectoria oblicua a la familia a cualquier curva que corta a todas las curvas de la familia formando un ángulo constante α π 2. Si la familia uniparamétrica de curvas tiene asociada una E. D. O. de primer orden: dy = G(x, y), dx entonces la pendiente de la curva de la familia que pase por el punto (x, y) es G(x, y), esto es, el ángulo que forma es arctg(g(x, y)). Por tanto, la trayectoria oblicua a la familia formará un ángulo arctg(g(x, y)) + α en el punto (x, y).13 1.2 Familias de curvas. Trayectorias ortogonales 13 En consecuencia, la E. D. O. de la familia de trayectorias oblicuas será: dy dx = tg(arctg(g(x, y)) + α). Teniendo en cuenta que: tg(a + b) = tg(a) + tg(b) 1 tg(a) tg(b) se deduce que la ecuación de las trayectorias oblicuas es: dy dx = G(x, y) + tg(α) 1 G(x, y) tg(α).14 14 1. Generalidades sobre Ecuaciones Diferenciales Ordinarias (E.D.O.) 1.3 Problemas de valor inicial y de contorno Supongamos una E. D. O. de orden n. Si buscamos una solución de la ecuación tal que en un punto x 0 verifique unas condiciones suplementarias (tantas condiciones como indique el orden de la ecuación) diremos que estamos ante un problema con condiciones iniciales. Ejemplo 9 1. El problema de condiciones iniciales: { y = 2x, y(1) = 4, tiene como solución única: y(x) = x El problema de condiciones iniciales: y + y = 0, y(π) = 3, y (π) = 4, tiene como solución única: y(x) = 4 sen(x) 3 cos(x).15 1.3 Problemas de valor inicial y de contorno 15 Si lo que buscamos es una solución de la ecuación tal que en diferentes puntos verifiquen unas condiciones suplementarias diremos que estamos ante un problema con condiciones de contorno. Ejemplo El problema de condiciones de contorno: y + y = 0, y(0) = 1, y( π 2 ) = 5, tiene como solución única: y(x) = cos(x) + 5 sen(x). 2. El problema de condiciones de contorno: no tiene solución. y + y = 0, y(0) = 1, y(π) = 5,16 16 1. Generalidades sobre Ecuaciones Diferenciales Ordinarias (E.D.O.)17 Tema 2 E.D.O. de primer orden 2.1 El problema de Cauchy para ecuaciones de primer orden Sea una E. D. O. de primer orden: cierto dominio D R 2. dy dx = f(x, y), donde f es una función definida en un El problema de Cauchy (o de valor inicial) asociado a dicha ecuación consiste en hallar una solución y de la ecuación diferencial definida en un intervalo real que contenga al punto x 0 y que satisfaga la condición inicial: y(x 0 ) = y 0. Generalmente, el problema de Cauchy se escribe de la forma abreviada: { y = f(x, y), y(x 0 ) = y 0. Geométricamente, se puede interpretar el problema de Cauchy como la búsqueda de aquella curva perteneciente a la solución general de la E. D. O. que pasa por el punto (x 0, y 0 ). 1718 18 2. E.D.O. de primer orden 2.2 Existencia y unicidad de solución Teorema 1 Teorema de existencia y unicidad de solución del problema de Cauchy Consideremos la E. D. O. Supongamos que se verifica: dy dx = f(x, y). 1. La función f es continua en las variables (x, y) en un dominio D. 2. La función f y es continua en las variables (x, y) en un dominio D. Entonces, para cualquier punto (x 0, y 0 ) D existe una única solución y de la ecuación diferencial definida en un intervalo (x 0 ε, x 0 + ε) que satisface la condición: y(x 0 ) = y 0. Observación 5 Las condiciones que se imponen en el teorema anterior son suficientes pero no necesarias, es decir, pueden rebajarse. En efecto, la continuidad de f puede sustituirse y por una propiedad más débil para f, conocida como condición de Lipschitz (en la variable y): L > 0 / f(x, y 1 ) f(x, y 2 ) L y 1 y 2, (x, y 1 ), (x, y 2 ) D.19 2.2 Existencia y unicidad de solución 19 Ejemplo 11 Consideremos el problema: { y = x 2 + y 2 + 1, y(1) = 1. Tanto f(x, y) = x 2 + y como f y = 2y son continuas en todo R2. Por tanto, el problema de Cauchy tiene solución única y(x) definida en el intervalo (1 ε, 1 + ε). En realidad, puede probarse que y(x) = x, x R. Ejemplo Consideremos el problema: y = y x, y(1) = 2. Tanto f(x, y) = y como f x y = 1 son continuas en todos los puntos (x, y) R 2 tales que x x > 0. Por tanto, el problema de Cauchy tiene solución única y(x) definida en el intervalo (1 ε, 1 + ε). En realidad, puede probarse que y(x) = 2 e 2( x 1), x (0, ).20 20 2. E.D.O. de primer orden 2. Consideremos ahora el problema: y = y x, y(0) = 2. Como f(x, y) = y x no es continua en el punto (0, 2), no podemos asegurar que el problema tenga solución, pero tampoco que no la tenga. Ejercicio 1 Se considera la función: f(x, y) = x3 + x 2 y xy 2 y 3 2x 2 y + 4xy 2 + 2y Estudiar la existencia y la unicidad de solución del problema: y = f(x, y), y(1) = Estudiar la existencia y la unicidad de solución del problema: y = f(x, y), y(1) = 1.21 2.3 Prolongación de soluciones. Solución maximal Prolongación de soluciones. Solución maximal Sean las funciones: y 1 : I 1 R R, y 2 : I 2 R R. Diremos que y 2 es una prolongación de y 1 cuando I 1 I 2 y se verifique que y 1 (x) = y 2 (x), x I 1. Si y 1 e y 2 son dos soluciones de una E. D. O. se dice que la solución y 2 prolonga a la solución y 1. Diremos que una solución es maximal cuando no existe ninguna otra solución que la prolongue. El intervalo en que está definida esta solución se llamará intervalo maximal. Teorema 2 Sea f una función continua en D y verificando la condición de Lipschitz. Entonces todo problema de Cauchy: { y = f(x, y), y(x 0 ) = y 0, con (x 0, y 0 ) D, admite una solución maximal.22 22 2. E.D.O. de primer orden Teorema 3 Sean y 1 e y 2 dos soluciones de la E. D. O. y = f(x, y) definidas, respectivamente, en los intervalos I 1 = [a, x 0 ] e I 2 = [x 0, b], verificando que y 1 (x 0 ) = y 2 (x 0 ). Entonces la función y, construida como prolongación de ambas, y definida en [a, b] como: y(x) = { y1 (x), x [a, x 0 ], y 2 (x), x [x 0, b], es solución de y = f(x, y) en [a, b]. 2.4 Dependencia respecto a los datos del problema Teorema 4 (dependencia continua de la solución respecto a la condición inicial) Sea f una función continua en (x, y) y que satisface una condición de Lipschitz en y con constante k en un dominio D. Sean y 1, y 2 tales que los problemas de Cauchy: { y = f(x, y), y(x 0 ) = y 1, { y = f(x, y), y(x 0 ) = y 2, tengan solución única definida en el intervalo x x 0 h y que denotaremos, respectivamente, y 1 (x) y y 2 (x). Entonces, si y 1 y 2 = δ: y 1 (x) y 2 (x) δ e kh, en x x 0 h.23 2.4 Dependencia respecto a los datos del problema 23 Esto es, la solución depende con continuidad de la condición inicial. Teorema 5 (dependencia continua de la solución respecto al segundo miembro) Sean f 1 y f 2 dos funciones continuas en (x, y) y que satisfacen una condición de Lipschitz en y con constante k en un dominio D, k = max{k 1, k 2 }. Sea (x 0, y 0 ) D tal que los problemas de Cauchy: { { y = f 1 (x, y), y = f 2 (x, y), y(x 0 ) = y 0, y(x 0 ) = y 0, tengan solución única definida en el intervalo x x 0 h y que denotaremos, respectivamente, y 1 (x) y y 2 (x). Entonces, si f 1 (x, y) f 2 (x, y) ε, (x, y) D: y 1 (x) y 2 (x) ε k (ekh 1), en x x 0 h. Esto es, la solución depende con continuidad del segundo miembro de la ecuación. Observación 6 Todos los resultados previos se pueden generalizar, como veremos en próximos temas, al caso de un problema de Cauchy de orden superior, esto es, una E. D. O. de orden n con n condiciones iniciales.24 24 2. E.D.O. de primer orden Para el caso de los problemas con condiciones de contorno, la obtención de resultados similares es mucho más costosa. Así, por ejemplo, podemos considerar una ecuación lineal de segundo orden: a 0 (x)y + a 1 (x)y + a 2 (x)y = f(x), x (x 0, x 1 ), y plantear el siguiente problema: Encontrar las soluciones de la E. D. O. anterior que verifiquen las dos condiciones de contorno: αy(x 0 ) + βy (x 0 ) = y 0, γy(x 1 ) + δy (x 1 ) = y 1, donde algunos de los coeficientes α, β, γ, δ son no nulos. Los teoremas de existencia y unicidad de solución de este tipo de problemas de contorno son, en general, mucho más complicados que los correspondientes al problema de Cauchy, y recaen siempre en la búsqueda de soluciones no triviales del correspondiente problema homogéneo (y 0 = y 1 = 0, f(x) = 0). Es lo que se denomina la búsqueda de autofunciones y autovalores.25 Tema 3 Resolución de E.D.O. de orden 1 Dada una E. D. O. de primer orden: y = f(x, y), estudiaremos distintos métodos para calcular la solución y(x) de la ecuación, verificando la condición inicial: y(x 0 ) = y Ecuaciones exactas Una ecuación del tipo: y = P (x, y) Q(x, y) se dice que es una ecuación diferencial EXACTA si existe una función V (x, y) verificando: P (x, y) = x V (x, y), Q(x, y) = y V (x, y). La única solución y(x) de la ecuación verificando y(x 0 ) = y 0 vendrá dada por la expresión: V (x, y) = V (x 0, y 0 ). Ejemplo 13 La ecuación: y = y x, y(x 0) = y 0, es exacta, pues basta tomar V (x, y) = x y 2526 26 3. Resolución de E.D.O. de orden 1 Por tanto, la solución del problema será: x y = x 0 y 0 y(x) = x 0 y 0 x. Teorema 6 Condición necesaria y suficiente de exactitud La E. D. O. y P (x, y) = es exacta si y sólo si: Q(x, y) y P (x, y) = x Q(x, y). Además, en caso de exactitud, se tiene la expresión: V (x, y) V (x 0, y 0 ) = x y P (x, y)dx + Q(x 0, y)dy, x 0 y 0 lo que proporciona la solución implícita: Ejercicio 2 Demostrar que la E. D. O. V (x, y) V (x 0, y 0 ) = 0. y = x2 y x + y 2 es exacta y calcular la solución tal que y(0) = 1.27 3.2 Ecuaciones en variables separadas Ecuaciones en variables separadas Una ecuación en VARIABLES SEPARADAS es un tipo de ecuación exacta muy sencillo: y = P (x) Q(y). La solución de la ecuación verificando y(x 0 ) = y 0 será entonces: x x 0 P (x)dx + y y 0 Q(y)dy = 0. Ejemplo 14 La ecuación: tiene como solución: y = x y, y(x 0) = y 0, x 2 + y 2 = x y 2 0. Ejercicio 3 Resolver la E. D. O. y = (1 + y 2 ) tg 2 (x) con la condición inicial y(x 0 ) = y 0.28 28 3. Resolución de E.D.O. de orden Ecuaciones homogéneas Recibe el nombre de ecuación HOMOGÉNEA toda ecuación que se pueda expresar en la forma: y = G( y x ). Se resolverá mediante el cambio de variable u = y x : y = u x y = u x + u u = y u x. Por tanto, tenemos que resolver la ecuación en variables separadas: u = G(u) u x = 1/x 1. G(u)+u Ejercicio 4 Demostrar que la ecuación: tiene solución implícita: y = x2 + y 2, y(x 0 ) = y 0, xy log(x) + y2 2x = log(x 0) + y x 2. 029 3.4 Factores integrantes Factores integrantes Dada la ecuación diferencial no exacta: y = si existe una función µ(x, y) tal que la ecuación: y = P (x, y) µ(x, y) Q(x, y) µ(x, y) P (x, y) Q(x, y), es exacta, se dice que µ(x, y) es un FACTOR INTEGRANTE de la ecuación.30 30 3. Resolución de E.D.O. de orden 1 Ejemplo 15 La ecuación: no es exacta, pues: y = 3y + 4xy2 2x + 3x 2 y y P = 3 + 8xy 2 + 6xy = x Q. Si consideramos la función µ(x, y) = x 2 y, entonces: ya es exacta, pues: y = 3y2 x 2 + 4x 3 y 3 2x 3 y + 3x 4 y 2 y (P µ) = 6x 2 y + 12x 3 y 2 = x (Q µ). Por tanto, µ(x, y) = x 2 y es un factor integrante. A fin de calcular un factor integrante de la ecuación: y = debemos imponer que la ecuación: sea exacta, o equivalentemente: y = P (x, y) µ(x, y) Q(x, y) µ(x, y) P (x, y) Q(x, y),31 3.4 Factores integrantes 31 y (P µ) = x (Q µ) y P µ + P y µ = x Q µ + Q x µ ( y P x Q) µ = Q x µ P y µ. Esta ecuación en derivadas parciales puede resolverse en algunos casos sencillos: y P x Q 1. Si = Φ depende únicamente de x, entonces se tiene el factor integrante Q dependiente exclusivamente de x: µ(x) = e Φ(x)dx. y P x Q 2. Si = Ψ depende únicamente de y, entonces se tiene el factor integrante P dependiente exclusivamente de y: µ(y) = e Ψ(y)dy. 3. También puede calcularse el factor integrante cuando se conoce la dependencia de x e y. Por ejemplo: µ(x y), µ(x + y), µ(x e y ),...32 32 3. Resolución de E.D.O. de orden 1 Ejemplo 16 La E. D. O. no exacta: admite un factor integrante de la forma: y = 2x2 + y x 2 y x, y(x 0) = y 0 µ(x) = 1 x 2, lo que permite resolver la ecuación, obteniéndose la solución implícita: Ejercicio 5 Demostrar que la E. D. O. 2x y x + y2 2 = 2x 0 y 0 x 0 + y y = y x 3x 3 y 2, y(x 0) = y 0 admite un factor integrante de la forma µ(x y) y, a continuación, resolver dicha ecuación.33 3.5 Ecuaciones lineales Ecuaciones lineales Una ecuación LINEAL de primer orden tiene la expresión: y + p(x) y = q(x), o equivalentemente: Como: admite el factor integrante: y = p(x) y q(x) 1 y P x Q Q = = p(x), µ(x) = e p(x)dx. Entonces, la solución de la ecuación lineal viene dada por: P (x, y) Q(x, y). [ y(x) = e p(x)dx q(x) e p(x)dx dx + C ], donde C es una constante que se determina imponiendo la condición inicial. Ejercicio 6 Comprobar que la solución del problema: y + y x 3x = 0, y(1) = 2 es y(x) = x2 + 1 x.34 34 3. Resolución de E.D.O. de orden 135 Tema 4 E.D.O. lineales de orden dos 4.1 Resultados básicos Sea una E. D. O. lineal de orden 2 de la forma: donde vamos a suponer de modo general que: a 0 (x) d2 y dx 2 + a 1(x) dy dx + a 2(x)y = F (x), 1. a 0, a 1, a 2, F son funciones reales continuas en un intervalo real [a, b]. 2. a 0 (x) 0, x [a, b]. Al término F (x) se le denomina término no homogéneo (o segundo miembro de la ecuación). En el caso en que F sea nula, se dice que es una ecuación homogénea. Tenemos los siguientes resultados de existencia y unicidad de solución: 3536 36 4. E.D.O. lineales de orden dos Teorema 7 Sea una E. D. O. lineal de orden 2: en las hipótesis anteriores. a 0 (x) d2 y dx 2 + a 1(x) dy dx + a 2(x)y = F (x) Sea x 0 [a, b] y sean α 0, α 1 constantes reales arbitrarias. Entonces, existe una única solución y de la ecuación definida en [a, b] tal que: y(x 0 ) = α 0, y (x 0 ) = α 1. Corolario 1 Sea y la solución de la E. D. O. lineal homogénea de orden 2: en las hipótesis anteriores, tal que: a 0 (x) d2 y dx 2 + a 1(x) dy dx + a 2(x)y = 0 y(x 0 ) = 0, y (x 0 ) = 0. Entonces: y(x) = 0, x [a, b].37 4.2 Caracterización de la solución general en el caso homogéneo Caracterización de la solución general en el caso homogéneo Teorema 8 Sean y 1, y 2 2 soluciones de la E. D. O. lineal homogénea de orden 2: Entonces, la combinación lineal: a 0 (x) d2 y dx 2 + a 1(x) dy dx + a 2(x)y = 0. c 1 y 1 + c 2 y 2 es también solución de la E. D. O. para cualesquiera c 1, c 2, constantes reales arbitrarias. Se dice que las 2 soluciones y 1, y 2 son linealmente dependientes en el intervalo [a, b] si existen constantes c 1, c 2 no todas nulas, tales que: c 1 y 1 (x) + c 2 y 2 (x) = 0, x [a, b]. En caso contrario, se dirán linealmente independientes. Teorema 9 Toda E. D. O. lineal homogénea de orden 2 posee siempre 2 soluciones linealmente independientes en [a, b].38 38 4. E.D.O. lineales de orden dos Además, si y 1, y 2 son 2 soluciones linealmente independientes de la ecuación, toda solución de dicha ecuación se puede expresar como combinación lineal de ellas: c 1 y 1 + c 2 y 2. mediante una adecuada elección de las constantes c k. Al conjunto de las 2 soluciones linealmente independientes en el intervalo [a, b] de la E. D. O. lineal homogénea de orden 2 se le denomina sistema fundamental de soluciones de la ecuación, y la solución definida por: y(x) = c 1 y 1 (x) + c 2 y 2 (x), x [a, b] se llama solución general de la ecuación en [a, b]. Dadas 2 funciones reales f 1, f 2 derivables hasta el orden 1 en el intervalo [a, b], el siguiente determinante se llama wronskiano de las 2 funciones y constituye una función real definida en [a, b]. f 1 (x) f 2 (x) W (f 1, f 2 )(x) = f 1(x) f 2(x)39 4.2 Caracterización de la solución general en el caso homogéneo 39 Teorema 10 Las 2 soluciones y 1, y 2 de una E. D. O. lineal homogénea de orden 2 son linealmente independientes en [a, b] si y sólo si el wronskiano de estas funciones es distinto de cero para algún punto del intervalo [a, b]. Observación 7 En realidad puede probarse que el wronskiano es no nulo en algún punto del intervalo si y sólo si es no nulo en todos los puntos del intervalo. Ejemplo 17 Consideramos la ecuación homogénea y + y = 0. Las funciones y 1 (x) = sen(x), y 2 (x) = cos(x) son soluciones de la ecuación. Además, son linealmente independientes, pues su wronskiano: sen(x) cos(x) = 1 0. cos(x) sen(x) Por tanto, la solución general de la ecuación es y(x) = c 1 sen(x) + c 2 cos(x).40 40 4. E.D.O. lineales de orden dos Reducción del orden Sea f una solución no trivial de la E. D. O. lineal homogénea de orden 2, entonces la transformación y = f v REDUCE la ecuación anterior a una E. D. O. lineal homogénea de orden (1) en la nueva variable: w = dv dx. Ejemplo 18 Sea f una solución de la E. D. O. lineal homogénea de orden 2: a 0 (x) d2 y dx 2 + a 1(x) dy dx + a 2(x)y = 0. Mediante la transformación y = f v se obtiene, en la variable w = dv, la ecuación lineal de orden dx 1: a 0 (x)f(x) dw dx + [2a 0(x)f (x) + a 1 (x)f(x)]w = 0, que se puede resolver fácilmente, pues es una ecuación en variables separadas. Una vez calculada w(x), mediante integración se determina v(x), y finalmente, multiplicando por f(x), se obtiene la solución buscada y(x).41 4.3 Caracterización de la solución general en el caso no homogéneo Caracterización de la solución general en el caso no homogéneo Teorema 11 Sea la E. D. O. lineal no homogénea de orden 2: a 0 (x) d2 y dx2 + a 1(x) dy dx + a 2(x)y = F (x) Sean v una solución cualquiera de la ecuación no homogénea y u una solución cualquiera de la ecuación homogénea correspondiente, entonces u + v es también una solución de la E. D. O. no homogénea. Consideremos la E. D. O. lineal no homogénea de orden 2: a 0 (x) d2 y dx 2 + a 1(x) dy dx + a 2(x)y = F (x) y la E. D. O. lineal homogénea correspondiente: a 0 (x) d2 y dx 2 + a 1(x) dy dx + a 2(x)y = 0.42 42 4. E.D.O. lineales de orden dos La solución general de la ecuación homogénea se denomina función complementaria de la ecuación no homogénea. La denotaremos por y c. Una solución cualquiera de la ecuación no homogénea se denomina solución o integral particular. La denotaremos por y p. Por tanto, el teorema anterior puede resumirse diciendo que la suma y = y c + y p de la función complementaria de la ecuación no homogénea y de una solución particular constituye la solución general de la ecuación no homogénea. En consecuencia, el cálculo de la solución general de una ecuación no homogénea pasa por la búsqueda de la solución general de la homogénea correspondiente y una solución particular de la no homogénea.43 4.3 Caracterización de la solución general en el caso no homogéneo 43 Ejemplo 19 Consideramos la ecuación no homogénea y + y = x. La función complementaria de la ecuación es Una solución particular es, por ejemplo, y p (x) = x. y c (x) = c 1 sen(x) + c 2 cos(x). Por tanto, la solución general de la ecuación es y(x) = x + c 1 sen(x) + c 2 cos(x). Teorema 12 Sean y 1, y 2 soluciones particulares de las E. D. O. lineales no homogéneas de orden 2 : a 0 (x) d2 y dx 2 + a 1(x) dy dx + a 2(x)y= F 1 (x), Entonces, para k 1, k 2 R, k 1 y 1 + k 2 y 2 a 0 (x) d2 y dx 2 + a 1(x) dy dx + a 2(x)y= F 2 (x). es solución particular de la ecuación: a 0 (x) d2 y dx 2 + a 1(x) dy dx + a 2(x)y = k 1 F 1 (x) + k 2 F 2 (x). Ejemplo 20 Consideramos la ecuación no homogénea y + y = 3x + 5 tg(x). Una solución particular de la ecuación y + y = x es y 1 (x) = x. Una solución particular de la ecuación y + y = tg(x) es y 2 (x) = cos(x) log(sec(x) + tg(x)). Una solución particular de y + y = 3x + 5 tg(x) es y p (x) = 3 x 5 cos(x) log(sec(x) + tg(x)). Entonces, la solución general de la ecuación es: y(x) = 3x 5cos(x) log(sec(x) + tg(x)) + c 1 sen(x) + c 2 cos(x).44 44 4. E.D.O. lineales de orden dos 4.4 Cálculo de la solución de una ecuación homogénea con coeficientes constantes Consideraremos una ecuación homogénea lineal de orden 2 con coeficientes constantes: a 0 d 2 y dx 2 + a 1 Buscaremos soluciones de la forma exponencial: dy dx + a 2 y= 0. y(x) = e mx. Teniendo en cuenta que dk y(x) dx k De modo que m debe ser raíz del polinomio: = m k e mx, k N y sustituyendo en la ecuación, se obtiene a 0 m 2 e mx + a 1 me mx + a 2 e mx = 0. a 0 m 2 + a 1 m + a 2 = 0, conocido con el nombre de ecuación característica de la E. D. O. Vamos a ver que, a partir de las raíces de la ecuación característica se puede obtener la solución general de la E. D. O. Para ello veremos tres casos distintos:45 4.4 Cálculo de la solución de una ecuación homogénea con coeficientes constantes Caso de raíces reales simples Teorema 13 Sea una ecuación homogénea lineal de orden 2 con coeficientes constantes. Si la ecuación característica de la E. D. O. tiene 2 raíces reales distintas m 1, m 2, entonces el sistema fundamental de soluciones es: {e m 1x, e m 2x }. Por tanto, la solución general de la E. D. O. es: donde c 1, c 2 son constantes arbitrarias. y(x) = c 1 e m 1x + c 2 e m 2x Ejemplo 21 Sea la ecuación y 3y + 2y = 0. Su ecuación característica es m 2 3m + 2 = 0, cuyas raíces son m 1 = 1, m 2 = 2. Entonces, la solución general es y(x) = c 1 e x + c 2 e 2x.46 46 4. E.D.O. lineales de orden dos Caso de una raíz real doble Teorema 14 Sea una ecuación homogénea lineal de orden 2 con coeficientes constantes. Si la ecuación característica de la E. D. O. tiene una raíz real m de multiplicidad 2 entonces el sistema fundamental de soluciones correspondiente a esa raíz es: {e mx, x e mx }. Por tanto, la solución general de la E. D. O. correspondiente a esa raíz viene dada por: donde c 1, c 2 son constantes arbitrarias. (c 1 + c 2 x) e mx Ejemplo 22 Sea la ecuación y 6y + 9y = 0. Su ecuación característica es m 2 6m + 9 = 0, cuyas raíces son m 1 = m 2 = 3. Entonces, la solución general es y(x) = (c 1 + c 2 x) e 3x.47 4.4 Cálculo de la solución de una ecuación homogénea con coeficientes constantes Caso de dos raíces complejas conjugadas Teorema 15 Sea una ecuación homogénea lineal de orden 2 con coeficientes constantes. Si la ecuación característica de la E. D. O. tiene dos raíces complejas conjugadas simples m 1 = a + bi, m 2 = a bi, entonces el sistema fundamental de soluciones correspondiente a ambas raíces es: {e ax sen(bx), e ax cos(bx)}. Por tanto, la solución general de la E. D. 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