Ecuaciones diferenciales con aplicaciones de modelado

4
ECUACIONES DIFERENCIALES
DE ORDEN SUPERIOR
4.1 Teoría preliminar: Ecuaciones lineales
4.1.1 Problemas con valores iniciales y con valores en la frontera
4.1.2 Ecuaciones homogéneas
4.1.3 Ecuaciones no homogéneas
4.2 Reducción de orden
4.3 Ecuaciones lineales homogéneas con coeficientes constantes
4.4 Coeficientes indeterminados: Método de superposición
4.5 Coeficientes indeterminados: Método del anulador
4.6 Variación de parámetros
4.7 Ecuación de Cauchy-Euler
4.8 Solución de sistemas de ED lineales por eliminación
4.9 Ecuaciones diferenciales no lineales
REPASO DEL CAPÍTULO 4
Ahora trataremos la solución de ecuaciones diferenciales de orden dos o superior.
En las primeras siete secciones de este capítulo se analizan la teoría fundamental
y cierta clase de ecuaciones lineales. El método de eliminación para resolver
sistemas de ecuaciones lineales se introduce en la sección 4.8 porque este método
simplemente desacopla un sistema en ecuaciones lineales de cada variable
dependiente. El capítulo concluye con un breve análisis de ecuaciones no lineales
de orden superior.
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●
CAPÍTULO 4
4.1
ECUACIONES DIFERENCIALES DE ORDEN SUPERIOR
TEORÍA PRELIMINAR: ECUACIONES LINEALES
REPASO DE MATERIAL
● Lea nuevamente los Comentarios al final de la sección 1.1.
● Sección 2.3 (especialmente páginas 54 a 58).
INTRODUCCIÓN En el capítulo 2 vimos que se pueden resolver algunas ecuaciones diferenciales de primer orden si se reconocen como separables, exactas, homogéneas o quizás como ecuaciones de Bernoulli. Aunque las soluciones de estas ecuaciones estuvieran en la forma de una familia
uniparamétrica, esta familia, con una excepción, no representa la solución de la ecuación diferencial. Sólo en el caso de las ED lineales de primer orden se pueden obtener soluciones generales
considerando ciertas condiciones iniciales. Recuerde que una solución general es una familia de soluciones definida en algún intervalo I que contiene todas las soluciones de la ED que están definidas
en I. Como el objetivo principal de este capítulo es encontrar soluciones generales de ED lineales de
orden superior, primero necesitamos examinar un poco de la teoría de ecuaciones lineales.
4.1.1
PROBLEMAS CON VALORES INICIALES
Y CON VALORES EN LA FRONTERA
PROBLEMA CON VALORES INICIALES En la sección 1.2 se definió un problema
con valores iniciales para una ecuación diferencial de n-ésimo orden. Para una ecuación diferencial lineal, un problema con valores iniciales de n-ésimo orden es
Resuelva:
an(x)
Sujeta a:
y(x0)
d ny
dx n
y0,
an 1(x)
y (x0)
d n 1y
dx n 1
a1(x)
y1 , . . . ,
y(n
dy
dx
1)
(x0)
a0(x)y
g(x)
(1)
yn 1.
Recuerde que para un problema como éste se busca una función definida en algún intervalo I, que contiene a x0, que satisface la ecuación diferencial y las n condiciones
iniciales que se especifican en x0: y(x0) y0, y(x0) y1, . . . , y(n1)(x0) yn1. Ya hemos
visto que en el caso de un problema con valores iniciales de segundo orden, una curva
solución debe pasar por el punto (x0, y0) y tener pendiente y1 en este punto.
EXISTENCIA Y UNICIDAD En la sección 1.2 se expresó un teorema que daba las
condiciones con las que se garantizaba la existencia y unicidad de una solución de un
problema con valores iniciales de primer orden. El teorema siguiente tiene condiciones
suficientes para la existencia y unicidad de una solución única del problema en (1).
TEOREMA 4.1.1
Existencia de una solución única
Sean an(x), an 1(x), . . . , a1(x), a0(x) y g(x) continuas en un intervalo I, y sea
an(x) 0 para toda x en este intervalo. Si x x0 es cualquier punto en este
intervalo, entonces una solución y(x) del problema con valores iniciales (1)
existe en el intervalo y es única.
EJEMPLO 1
Solución única de un PVI
El problema con valores iniciales
3y
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5y
y
7y
0, y(1)
0,
y (1)
0, y (1)
0
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4.1
TEORÍA PRELIMINAR: ECUACIONES LINEALES
●
119
tiene la solución trivial y 0. Debido a que la ecuación de tercer orden es lineal con
coeficientes constantes, se cumplen las condiciones del teorema 4.1.1. Por tanto y 0
es la única solución en cualquier intervalo que contiene a x 1.
EJEMPLO 2
Solución única de un PVI
Se debe comprobar que la función y 3e 2x e2x 3x es una solución del problema
con valores iniciales
y
4y
12x,
y(0)
4,
y (0)
1.
Ahora la ecuación diferencial es lineal; los coeficientes, así como g(x) 12x, son
continuos y a2(x) 1 0 en algún intervalo I que contenga a x 0. Concluimos del
teorema 4.1.1 que la función dada es la única solución en I.
Los requisitos en el teorema 4.1.1 de que ai(x), i 0, 1, 2, . . . , n sean continuas
y an(x) 0 para toda x en I son importantes. En particular, si an(x) 0 para algún x
en el intervalo, entonces la solución de un problema lineal con valores iniciales podría no ser única o ni siquiera existir. Por ejemplo, se debe comprobar que la función
y cx 2 x 3 es una solución de problema con valores iniciales
x2 y
2xy
2y
6, y(0)
3,
y (0)
1
en el intervalo (, ) para alguna elección del parámetro c. En otras palabras, no
hay solución única del problema. Aunque se satisface la mayoría de las condiciones
del teorema 4.1.1, las dificultades obvias son que a2(x) x2 es cero en x 0 y que las
condiciones iniciales también se imponen en x 0.
y
PROBLEMA CON VALORES EN LA FRONTERA Otro tipo de problema consiste
en resolver una ecuación diferencial lineal de orden dos o mayor en que la variable dependiente y o sus derivadas se específican en diferentes puntos. Un problema tal como
soluciones de la ED
(b, y1)
(a, y0)
I
x
FIGURA 4.1.1 Curvas solución de un
PVF que pasan a través de dos puntos.
Resuelva:
a2(x)
Sujeto a:
y(a)
d 2y
dx2
y0 ,
a1(x)
dy
dx
y(b)
a0(x)y
g(x)
y1
se llama problema con valores en la frontera (PVF). Los valores prescritos y(a) y0
y y(b) y1 se llaman condiciones en la frontera. Una solución del problema anterior
es una función que satisface la ecuación diferencial en algún intervalo I, que contiene
a a y b, cuya gráfica pasa por los puntos (a, y0) y (b, y1). Véase la figura 4.1.1.
Para una ecuación diferencial de segundo orden, otros pares de condiciones en la
frontera podrían ser
y (a)
y0 ,
y(b)
y1
y(a)
y0 ,
y (b)
y1
y (a)
y0 ,
y (b)
y1,
donde y0 y y1 denotan constantes arbitrarias. Estos pares de condiciones son sólo casos
especiales de las condiciones en la frontera generales.
1 y(a)
1y
(a)
1
2 y(b)
2y
(b)
2.
En el ejemplo siguiente se muestra que aun cuando se cumplen las condiciones del
teorema 4.1.1, un problema con valores en la frontera puede tener varias soluciones (como
se sugiere en la figura 4.1.1), una solución única o no tener ninguna solución.
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●
CAPÍTULO 4
ECUACIONES DIFERENCIALES DE ORDEN SUPERIOR
EJEMPLO 3
Un PVF puede tener muchas, una o ninguna solución
En el ejemplo 4 de la sección 1.1 vimos que la familia de soluciones de dos parámetros
de la ecuación diferencial x 16x 0 es
x
x
c2 = 1
1
c2 = 2
c2 =
1
c2 = 0
1
4
t
1
(0, 0)
c2 = −
1
2
solución de (3)
c2 sen 4t.
(2)
a) Suponga que ahora deseamos determinar la solución de la ecuación que satisface
más condiciones en la frontera x(0) 0, x(p兾2) 0. Observe que la primera
condición 0 c1 cos 0 c2 sen 0 implica que c1 0, por tanto x c2 sen 4t. Pero
cuando t p兾2, 0 c2 sen 2p se satisface para cualquier elección de c2 ya que
sen 2p 0. Por tanto el problema con valores en la frontera
(π /2, 0)
FIGURA 4.1.2 Algunas curvas
c1 cos 4t
x
16x
0,
x(0)
0,
x
(3)
0
2
tiene un número infinito de soluciones. En la figura 4.1.2 se muestran las gráficas
de algunos de los miembros de la familia uniparamétrica x c2 sen 4t que pasa
por los dos puntos (0, 0) y (p兾2, 0).
b) Si el problema con valores en la frontera en (3) se cambia a
x
16x
0,
x(0)
0,
x
0,
8
(4)
entonces x(0) 0 aún requiere que c1 0 en la solución (2). Pero aplicando
x(p兾8) 0 a x c2 sen 4t requiere que 0 c2 sen (p兾2) c2 ⴢ 1. Por tanto x 0
es una solución de este nuevo problema con valores en la frontera. De hecho, se
puede demostrar que x 0 es la única solución de (4).
c) Por último, si se cambia el problema a
x
16x
0,
x(0)
0,
x
(5)
1,
2
se encuentra de nuevo de x(0) 0 que c1 0, pero al aplicar x(p兾2) 1 a x c2 sen 4t conduce a la contradicción 1 c2 sen 2p c2 ⴢ 0 0. Por tanto el
problema con valores en la frontera (5) no tiene solución.
4.1.2
ECUACIONES HOMOGÉNEAS
Una ecuación diferencial lineal de n-ésimo orden de la forma
an(x)
dny
dx n
an 1(x)
d n 1y
dx n 1
a1(x)
dy
dx
a0(x)y
0
(6)
g(x),
(7)
se dice que es homogénea, mientras que una ecuación
an(x)
dny
dx n
an 1(x)
d n 1y
dx n 1
a1(x)
dy
dx
a0(x)y
con g(x) no igual a cero, se dice que es no homogénea. Por ejemplo, 2y 3y 5y 0 es una ecuación diferencial lineal homogénea de segundo orden, mientras que x3y
6y 10y ex es una ecuación diferencial lineal de tercer orden no homogénea. La
palabra homogénea en este contexto no se refiere a los coeficientes que son funciones
homogéneas, como en la sección 2.5.
Después veremos que para resolver una ecuación lineal no homogénea (7), primero se debe poder resolver la ecuación homogénea asociada (6).
Para evitar la repetición innecesaria en lo que resta de este libro, se harán,
como algo natural, las siguientes suposiciones importantes cuando se establezcan
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4.1
■ Por favor
recuerde estas dos
suposiciones
TEORÍA PRELIMINAR: ECUACIONES LINEALES
121
●
definiciones y teoremas acerca de las ecuaciones lineales (1). En algún intervalo
común I,
• las funciones coeficientes ai(x), i 0, 1, 2, . . . , n y g(x) son continuas;
• a n(x) 0 para toda x en el intervalo.
OPERADORES DIFERENCIALES En cálculo la derivación se denota con frecuencia con la letra D mayúscula, es decir, dy兾dx Dy. El símbolo D se llama operador diferencial porque convierte una función derivable en otra función. Por ejemplo,
D(cos 4x) 4 sen 4x y D(5x3 6x2) 15x2 12x. Las derivadas de orden superior
se expresan en términos de D de manera natural:
d 2y
dx2
d dy
dx dx
D(Dy)
D2y
y, en general
dny
dxn
Dn y,
donde y representa una función suficientemente derivable. Las expresiones polinomiales en las que interviene D, tales como D 3, D2 3D 4 y 5x3D3 6x2D2 4xD 9, son también operadores diferenciales. En general, se define un operador
diferencial de n-ésimo orden u operador polinomial como
L an(x)D n an1(x)D n1 a1(x)D a 0(x).
(8)
Como una consecuencia de dos propiedades básicas de la derivada, D(cf(x)) cDf(x),
c es una constante y D{f(x) g(x)} Df(x) Dg(x), el operador diferencial L tiene
una propiedad de linealidad; es decir, L operando sobre una combinación lineal de dos
funciones derivables es lo mismo que la combinación lineal de L operando en cada una
de las funciones. Simbólicamente esto se expresa como
L{a f (x) bg(x)} aL( f (x)) bL(g(x)),
(9)
donde a y b son constantes. Como resultado de (9) se dice que el operador diferencial
de n-ésimo orden es un operador lineal.
ECUACIONES DIFERENCIALES Cualquier ecuación diferencial lineal puede expresarse en términos de la notación D. Por ejemplo, la ecuación diferencial y 5y 6y 5x 3 se puede escribir como D2y 5Dy 6y 5x – 3 o (D2 5D 6)y 5x
3. Usando la ecuación (8), se pueden escribir las ecuaciones diferenciales lineales
de n-énesimo orden (6) y (7) en forma compacta como
L(y)
0
y
L(y)
g(x),
respectivamente.
PRINCIPIO DE SUPERPOSICIÓN En el siguiente teorema se ve que la suma o
superposición de dos o más soluciones de una ecuación diferencial lineal homogénea
es también una solución.
TEOREMA 4.1.2 Principio de superposición; ecuaciones homogéneas
Sean y1, y2, . . . , yk soluciones de la ecuación homogénea de n-ésimo orden (6)
en un intervalo I. Entonces la combinación lineal
y c1 y1(x) c2 y2(x)
ck yk(x),
donde las ci, i 1, 2, . . . , k son constantes arbitrarias, también es una solución en el intervalo.
DEMOSTRACIÓN Se demuestra el caso k 2. Sea L el operador diferencial que
se definió en (8) y sean y1(x) y y2(x) soluciones de la ecuación homogénea L(y) 0.
Si se define y c1y1(x) c2y2(x), entonces por la linealidad de L se tiene que
L( y)
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L{c1 y1(x)
c2 y2(x)}
c1 L(y1)
c2 L(y2)
c1 0
c2 0
0.
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●
CAPÍTULO 4
ECUACIONES DIFERENCIALES DE ORDEN SUPERIOR
COROLARIOS DEL TEOREMA 4.1.2
A) Un múltiplo constante y c1y1(x) de una solución y1(x) de una ecuación
diferencial lineal homogénea es también una solución.
B) Una ecuación diferencial lineal homogénea tiene siempre la solución trivial y 0.
EJEMPLO 4
Superposición; ED homogénea
Las funciones y1 x2 y y2 x2 ln x son soluciones de la ecuación lineal homogénea
x3y 2xy 4y 0 en el intervalo (0, ). Por el principio de superposición, la
combinación lineal
y c1x2 c2 x2 ln x
es también una solución de la ecuación en el intervalo.
La función y e7x es una solución de y 9y 14y 0. Debido a que la ecuación diferencial es lineal y homogénea, el múltiplo constante y ce7x es también una
solución. Para varios valores de c se ve que y 9e7x, y 0, y
15e7x , . . . son
todas soluciones de la ecuación.
DEPENDENCIA LINEAL E INDEPENDENCIA LINEAL Los dos conceptos son
básicos para el estudio de ecuaciones diferenciales lineales.
DEFINICIÓN 4.1.1
Dependencia e independencia lineal
Se dice que un conjunto de funciones f1(x), f2(x), . . . , fn(x) es linealmente dependiente en un intervalo I si existen constantes c1, c2, . . . ,cn no todas cero, tales que
c1 f1(x)
c2 f2(x)
cn fn(x)
0
para toda x en el intervalo. Si el conjunto de funciones no es linealmente dependiente en el intervalo, se dice que es linealmente independiente.
y
f1 = x
x
a)
y
f2 = |x|
x
b)
FIGURA 4.1.3 El conjunto que consiste
en f1 y f2 es linealmente independiente en
(, ).
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En otras palabras, un conjunto de funciones es linealmente independiente en un intervalo I si las únicas constantes para las que
c1 f1(x) c2 f2(x)
cn fn(x) 0
para toda x en el intervalo son c1 c2 . . . cn 0.
Es fácil entender estas definiciones para un conjunto que consiste en dos funciones
f1(x) y f2(x). Si el conjunto de funciones es linealmente dependiente en un intervalo, entonces existen constantes c1 y c2 que no son ambas cero de manera tal que, para toda x en
el intervalo, c1 f1(x) c2 f2(x) 0. Por tanto, si suponemos que c1 0, se deduce que f1(x)
(c2兾c1) f2(x); es decir, si un conjunto de dos funciones es linealmente dependiente,
entonces una función es simplemente un múltiplo constante del otro. A la inversa, si f1(x)
c2 f2(x) para alguna constante c2, entonces ( 1) ⴢ f1(x) c2 f2(x) 0 para toda x en el
intervalo. Por tanto, el conjunto de funciones es linealmente dependiente porque al menos
una de las constantes (en particular, c1 1) no es cero. Se concluye que un conjunto
de dos funciones f1(x) y f2(x) es linealmente independiente cuando ninguna función es un
múltiplo constante de la otra en el intervalo. Por ejemplo, el conjunto de funciones f1(x)
sen 2x, f2(x) sen x cos x es linealmente dependiente en (, ) porque f1(x) es un
múltiplo constante de f2(x). Recuerde de la fórmula del seno del doble de un ángulo que
sen 2x 2 sen x cos x. Por otro lado, el conjunto de funciones f1(x) x, f2(x) 兩x兩 es linealmente independiente en (, ). Al examinar la figura 4.1.3 usted debe convencerse
de que ninguna función es un múltiplo constante de la otra en el intervalo.
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4.1
TEORÍA PRELIMINAR: ECUACIONES LINEALES
123
●
Del análisis anterior se tiene que el cociente f2(x)兾f1(x) no es una constante en un
intervalo en el que el conjunto f1(x), f2(x) es linealmente independiente. Esto se usará
en la siguiente sección.
EJEMPLO 5
Conjunto de funciones linealmente dependiente
El conjunto de funciones f1(x) cos2x, f2(x) sen2x, f3(x) sec2x, f4(x) tan2x es
linealmente dependiente en el intervalo (p兾2, p兾2) porque
c1 cos2x
c2 sen2x
c3 sec2x
c4 tan2x
0
donde c1 c2 1, c3 1, c4 1. Aquí se usa cos2x sen2x 1 y 1 tan2x sec2x.
Un conjunto de funciones f1(x), f2(x), . . . , fn(x) es linealmente dependiente en un
intervalo si por lo menos una función se puede expresar como una combinación lineal
de las otras funciones.
EJEMPLO 6
Conjunto de funciones linealmente dependientes
El conjunto de funciones f1(x)
1x 5, f2(x)
1x 5x, f3(x) x 1, f4(x) x 2
es linealmente dependientes en el intervalo (0, ) porque f2 puede escribirse como una
combinación lineal de fl, f3 y f4. Observe que
f2(x)
1 f1(x)
5 f3(x)
0 f4(x)
para toda x en el intervalo (0, ).
SOLUCIONES DE ECUACIONES DIFERENCIALES Estamos interesados principalmente en funciones linealmente independientes o con más precisión, soluciones linealmente independientes de una ecuación diferencial lineal. Aunque se podría apelar
siempre en forma directa a la definición 4.1.1, resulta que la cuestión de si el conjunto
de n soluciones yl, y2, . . . , yn de una ecuación diferencial lineal homogénea de nésimo orden (6) es linealmente independiente se puede establecer en forma un poco
mecánica usando un determinante.
DEFINICIÓN 4.1.2
Wronskiano
Suponga que cada una de las funciones f1(x), f2(x), . . . , fn(x) tiene al menos n
1 derivadas. El determinante
W( f1, f2, . . . , fn )
f1
f1
f1(n
fn
fn
f2
f2
1)
f2(n
1)
fn(n
,
1)
donde las primas denotan derivadas, se llama el Wronskiano de las funciones.
TEOREMA 4.1.3 Criterio para soluciones linealmente independientes
Sean yl, y2, . . . , yn n soluciones de la ecuación diferencial lineal homogénea de
n-ésimo orden (6) en el intervalo I. El conjunto de soluciones es linealmente independiente en I si y sólo si W(yl, y2, . . . , yn) 0 para toda x en el intervalo.
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●
CAPÍTULO 4
ECUACIONES DIFERENCIALES DE ORDEN SUPERIOR
Se tiene del teorema 4.1.3 que cuando yl, y2, . . . , yn son n soluciones de (6) en un intervalo I, el Wronskiano W(yl, y2, . . . , yn) es igual a cero o nunca es cero en el intervalo.
Al conjunto de n soluciones linealmente independientes de una ecuación diferencial lineal homogénea de n-ésimo orden se le da un nombre especial.
DEFINICIÓN 4.1.3
Conjunto fundamental de soluciones
Cualquier conjunto yl, y2, . . . , yn de n soluciones linealmente independientes
de la ecuación diferencial lineal homogénea de n-ésimo orden (6) en un intervalo I es un conjunto fundamental de soluciones en el intervalo.
La respuesta a la cuestión básica sobre la existencia de un conjunto fundamental
de soluciones para una ecuación lineal está en el siguiente teorema.
TEOREMA 4.1.4 Existencia de un conjunto fundamental
Existe un conjunto fundamental de soluciones para la ecuación diferencial lineal homogénea de n-ésimo orden (6) en un intervalo I.
Similar al hecho de que cualquier vector en tres dimensiones se puede expresar
como una combinación lineal de los vectores linealmente independientes i, j, k, cualquier solución de una ecuación diferencial lineal homogénea de n-ésimo orden en un
intervalo I se expresa como una combinación lineal de n soluciones linealmente independientes en I. En otras palabras, n soluciones linealmente independientes yl, y2, . . . ,
yn son los bloques básicos para la solución general de la ecuación.
TEOREMA 4.1.5 Solución general; ecuaciones homogéneas
Sea yl, y2, . . . , yn un conjunto fundamental de soluciones de la ecuación diferencial lineal homogénea de n-ésimo orden (6) en el intervalo I. Entonces la
solución general de la ecuación en el intervalo es
y
c1 y1(x)
c2 y2(x)
cn yn(x),
donde ci, i 1, 2, . . . , n son constantes arbitrarias.
El teorema 4.1.5 establece que si Y(x) es alguna solución de (6) en el intervalo,
entonces siempre se pueden encontrar constantes Cl, C2, . . . , Cn tales que
Y(x)
C1 y1(x)
C2 y2(x)
Cn yn(x).
Demostraremos el caso cuando n 2.
Sea Y una solución y yl y y2 soluciones linealmente independientes
de a2 y al y a0 y 0 en un intervalo I. Suponga que x t es un punto en I para
el cual W(yl(t), y2(t)) 0. Suponga también que Y(t) kl y Y(t) k2. Si ahora examinamos las ecuaciones
C1 y1(t) C2 y2(t) k1
DEMOSTRACIÓN
C1 y 1(t)
C2 y 2(t)
k2,
se tiene que podemos determinar Cl y C2 de manera única, a condición de que el determinante de los coeficientes satisfaga
y1(t) y2(t)
y1 (t) y2 (t)
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0.
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4.1
TEORÍA PRELIMINAR: ECUACIONES LINEALES
●
125
Pero este determinante es simplemente el Wronskiano evaluado en x t y por suposición, W 0. Si se define G(x) Cl yl(x) C2 y2(x), se observa que G(x) satisface
la ecuación diferencial puesto que es una superposición de dos soluciones conocidas;
G(x) satisface las condiciones iniciales
G(t) C1 y1(t) C2 y2(t) k1 y G (t) C1 y 1 (t) C2 y 2(t) k2;
y Y(x) satisface la misma ecuación lineal y las mismas condiciones iniciales. Debido a
que la solución de este problema con valores iniciales lineal es única (teorema 4.1.1),
se tiene Y(x) G(x) o Y(x) Cl yl(x) C2 y2(x).
EJEMPLO 7
Solución general de una ED homogénea
Las funciones yl e3x y y2 e3x son soluciones de la ecuación lineal homogénea y
– 9y 0 en el intervalo (, ). Por inspección las soluciones son linealmente independientes en el eje x. Este hecho se corrobora al observar que el Wronskiano
e3x
e 3x
6 0
3e3x
3e 3x
para toda x. Se concluye que yl y y2 forman un conjunto fundamental de soluciones y
por tanto, y c1e 3x c2e3x es la solución general de la ecuación en el intervalo.
W(e3x, e
EJEMPLO 8
3x
)
Una solución obtenida de una solución general
La función y 4 senh 3x 5e3x es una solución de la ecuación diferencial del ejemplo
7. (Compruebe esto.) Aplicando el teorema 4.1.5, debe ser posible obtener esta solución a partir de la solución general y c1e3x c2e3x. Observe que si se elige c1 2 y
c2 7, entonces y 2e3x 7e3x puede rescribirse como
2e 3x
y
2e
3x
5e
3x
4
e 3x
e
3x
5e
2
3x
.
Esta última expresión se reconoce como y 4 senh 3x 5e3x.
EJEMPLO 9
Solución general de una ED homogénea
Las funciones y1 ex, y2 e2x y y3 e3x satisfacen la ecuación de tercer orden y
6y l1y 6y 0. Puesto que
W(ex, e2x, e3x )
ex
p ex
ex
e2x e3x
2e2x 3e3x p
4e2x 9e3x
2e6x
0
para todo valor real de x, las funciones y1, y2 y y3 forman un conjunto fundamental de
soluciones en (, ). Se concluye que y c1e x c2e2x c3e3x es la solución general
de la ecuación diferencial en el intervalo.
4.1.3
ECUACIONES NO HOMOGÉNEAS
Cualquier función yp libre de parámetros arbitrarios, que satisface (7) se dice que es
una solución particular o integral particular de la ecuación. Por ejemplo, es una
tarea directa demostrar que la función constante yp 3 es una solución particular de la
ecuación no homogénea y 9y 27.
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126
●
CAPÍTULO 4
ECUACIONES DIFERENCIALES DE ORDEN SUPERIOR
Ahora si yl, y2, . . . , yk son soluciones de (6) en un intervalo I y yp es cualquier
solución particular de (7) en I, entonces la combinación lineal
y
c1 y1 (x)
c2 y2(x)
ck yk(x)
yp
(10)
es también una solución de la ecuación no homogénea (7). Si piensa al respecto, esto tiene
sentido, porque la combinación lineal cl yl(x) c2 y2(x) . . . ckyk(x) se transforma en
0 por el operador L anDn an 1D n 1 . . . a1D a0, mientras que yp se convierte
en g(x). Si se usa k n soluciones linealmente independientes de la ecuación de n-ésimo
orden (6), entonces la expresión en (10) se convierte en la solución general de (7).
TEOREMA 4.1.6 Solución general; ecuaciones no homogéneas
Sea yp cualquier solución particular de la ecuación diferencial lineal no homogénea de n-ésimo orden (7) en un intervalo I, y sea yl, y2, . . . , yn un conjunto
fundamental de soluciones de la ecuación diferencial homogénea asociada (6)
en I. Entonces la solución general de la ecuación en el intervalo es
y
c1 y1(x)
c2 y2(x)
cn yn(x)
yp ,
donde las ci, i 1, 2, . . . , n son constantes arbitrarias.
DEMOSTRACIÓN Sea L el operador diferencial definido en (8) y sean Y(x) y yp(x)
soluciones particulares de la ecuación no homogénea L(y) g(x). Si se define u(x)
Y(x) – yp(x), entonces por la linealidad de L se tiene
L(u) L{Y(x) yp(x)} L(Y(x)) L(yp(x)) g(x) g(x) 0.
Esto demuestra que u(x) es una solución de la ecuación homogénea L(y) 0. Así
por el teorema 4.1.5, u(x) cl yl(x) c2 y2(x) . . . cnyn(x), y así
Y(x)
o
yp(x)
c1 y1(x)
c2 y2(x)
cn yn(x)
Y(x)
c1 y1(x)
c2 y2(x)
cn yn(x)
yp(x).
FUNCIÓN COMPLEMENTARIA Vemos en el teorema 4.1.6 que la solución general
de una ecuación lineal no homogénea está compuesta por la suma de dos funciones:
y
c1 y1(x)
c2 y2(x)
cn yn(x)
yp(x)
yc(x)
yp(x).
La combinación lineal yc(x) cl yl(x) c2 y2(x) . . . cn yn(x), que es la solución general de (6), se llama función complementaria para la ecuación (7). En otras palabras,
para resolver una ecuación diferencial lineal no homogénea, primero se resuelve la
ecuación homogénea asociada y luego se encuentra una solución particular de la ecuación no homogénea. La solución general de la ecuación no homogénea es entonces
y función complementaria cualquier solución particular
yc yp.
EJEMPLO 10
Solución general de una ED no homogénea
Por sustitución, se demuestra con facilidad que la función yp
solución particular de la ecuación no homogénea
y
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6y
11y
6y
3x.
11
12
1
2x
es una
(11)
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4.1
TEORÍA PRELIMINAR: ECUACIONES LINEALES
127
●
Para escribir la solución general de (11), también se debe poder resolver la ecuación
homogénea asociada
y
6y
11y
6y 0.
Pero en el ejemplo 9 vimos que la solución general de esta última ecuación en el intervalo
(, ) fue yc clex c2e2x c3e3x. Por tanto la solución general de (11) en el intervalo es
y
yc
c1ex
yp
c2e2x
11
12
c3e3x
1
x.
2
OTRO PRINCIPIO DE SUPERPOSICIÓN El último teorema de este análisis se
usará en la sección 4.4 cuando se considera un método para encontrar soluciones particulares de ecuaciones no homogéneas.
TEOREMA 4.1.7
Principio de superposición; ecuaciones
no homogéneas
Sean yp1, yp2, . . . , ypk k soluciones particulares de la ecuación diferencial lineal
no homogénea de n-ésimo orden (7) en un intervalo I que corresponde, a su
vez, a k funciones diferentes g1, g2, . . . , gk. Es decir, se supone que ypi denota
una solución particular de la ecuación diferencial correspondiente
an(x)y(n)
an 1(x)y(n
1)
a1(x)y
a0(x)y
gi (x),
(12)
donde i 1, 2, . . . , k. Entonces
yp
yp1(x)
yp2(x)
(13)
ypk(x)
es una solución particular de
an(x)y(n) an 1(x)y(n
g1(x) g2(x)
1)
a1(x)y
a0(x)y
(14)
gk(x).
DEMOSTRACIÓN Se demuestra el caso k 2. Sea L el operador diferencial de-
finido en (8) y sean yp1(x) y yp2(x) soluciones particulares de las ecuaciones no homogéneas L(y) g1(x) y L(y) g2(x), respectivamente. Si definimos yp yp1(x)
yp2(x), queremos demostrar que yp es una solución particular de L(y) g1(x) g2(x). Nuevamente se deduce el resultado por la linealidad del operador L:
L(yp)
L{yp1(x)
EJEMPLO 11
yp2(x)}
L( yp1(x))
L( yp2(x))
g1(x)
g2(x).
Superposición, ED no homogénea
Usted debe comprobar que
yp1
4x2
es una solución particular de
y
3y
4y
16x2
yp2
e2x
es una solución particular de
y
3y
4y
2e2x,
yp3
xex
es una solución particular de
y
3y
4y
2xex
24x
8,
ex.
Se tiene de (13) del teorema 4.1.7 que la superposición de yp1, yp2, y yp3,
y
yp1
yp2
yp3
4x2
e2x
xex,
es una solución de
y 3y 4y 16x2 24x 8 2e2x 2xex ex.
g1(x)
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g2(x)
g3(x)
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128
●
CAPÍTULO 4
ECUACIONES DIFERENCIALES DE ORDEN SUPERIOR
NOTA Si las ypi son soluciones particulares de (12) para i 1,2, . . . , k, entonces
la combinación lineal
yp c1 yp1 c2 yp2
ck ypk,
donde las ci son constantes, es también una solución particular de (14) cuando el
miembro del lado derecho de la ecuación es la combinación lineal
c1g1(x) c2 g2(x)
ck gk (x).
Antes de que empecemos a resolver realmente ecuaciones diferenciales lineales
homogéneas y no homogéneas, se necesita un poco más de la teoría, que se presenta
en la siguiente sección.
COMENTARIOS
Esta observación es una continuación del breve análisis de sistemas dinámicos
que se presentó al final de la sección 1.3.
Un sistema dinámico cuya regla o modelo matemático es una ecuación diferencial lineal de n-ésimo orden
an(t)y(n)
an 1(t)y(n
1)
a1(t)y
a0(t)y
g(t)
se dice que es un sistema lineal de n-ésimo orden. Las n funciones dependientes del
tiempo y(t), y(t), . . . , y(n1)(t) son las variables de estado del sistema. Recuerde
que sus valores en el tiempo t dan el estado del sistema. La función g tiene varios
nombres: función de entrada, función de fuerza o función de excitación. Una
solución y(t) de la ecuación diferencial se llama salida o respuesta del sistema.
Bajo las condiciones establecidas en el teorema 4.1.1, la salida o respuesta y(t) se
determina de manera única por la entrada y el estado del sistema prescritos en el
tiempo t0; es decir, por las condiciones iniciales y(t0), y(t0), . . . , y(n1)( t0).
Para que un sistema dinámico sea un sistema lineal es necesario que se cumpla
en el sistema el principio de superposición (teorema 4.1.7); es decir, la respuesta
del sistema a una superposición de entradas es una superposición de salidas. Ya se
analizaron algunos de los sistemas lineales simples en la sección 3.1 (ecuaciones
lineales de primer orden); en la sección 5.l se examinan sistemas lineales en los
que los modelos matemáticos son ecuaciones diferenciales de segundo orden.
EJERCICIOS 4.1
Las respuestas a los problemas con número impar comienzan en la página RES-4.
4.1.1 PROBLEMAS CON VALORES INICIALES
Y CON VALORES EN LA FRONTERA
En los problemas 1 a 4 la familia de funciones que se proporciona es la solución general de la ecuación diferencial en el
intervalo que se indica. Encuentre un miembro de la familia
que sea una solución del problema con valores iniciales.
1. y c1e x c2ex, (, );
y y 0, y(0) 0, y(0) 1
2. y c1e 4x c2ex, (, );
y 3y 4y 0, y(0) 1,
3. y c1x c2x ln x, (0, );
x 2y xy y 0, y(1) 3,
y(0) 2
y(1) 1
4. y c1 c2 cos x c3 sen x, (, );
y y 0, y(p) 0, y(p) 2,
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y(p) 1
5. Dado que y c1 c2x2 es una familia de dos parámetros
de soluciones de xy y 0 en el intervalo (, ),
demuestre que no se pueden encontrar las constantes c1 y
c2 tales que un miembro de la familia satisface las condiciones iniciales y(0) 0, y(0) 1. Explique por qué esto
no viola el teorema 4.1.1.
6. Encuentre dos miembros de la familia de soluciones del
problema 5 que satisfagan las condiciones iniciales y(0)
0, y(0) 0.
7. Como x(t) c1 cos vt c2 sen vt es la solución general
de x v2x 0 en el intervalo (, ), demuestre que
una solución que satisface las condiciones iniciales x(0)
x0, x(0) x1 está dada por
x(t)
x0 cos vt
x1
sen vt.
v
6/4/09 12:18:05 PM
4.1
8. Use la solución general de x v2x 0 que se da en el
problema 7 para demostrar que una solución que satisface
las condiciones iniciales x(t0) x0, x(t0) x1 es la solución dada en el problema 7 cambiada por una cantidad t0:
x1
x(t) x0 cos v (t t0 )
sen v(t t0 ).
v
En los problemas 9 y 10 encuentre un intervalo centrado en x
0 para el cual el problema con valores iniciales dado tiene
una solución única.
9. (x 2)y 3y x,
10. y (tan x)y e x,
y(0) 0, y(0) 1
y(0) 1, y(0) 0
11. a) Utilice la familia del problema 1 para encontrar una
solución de y y 0 que satisfaga las condiciones
en la frontera y(0) 0, y(l) 1.
b) La ED del inciso a) tiene la solución general alternativa y c3 cosh x c4 senh x en (, ). Use esta
familia para encontrar una solución que satisfaga las
condiciones en la frontera del inciso a).
c) Demuestre que las soluciones de los incisos a) y b)
son equivalentes.
12. Use la familia del problema 5 para encontrar una solución
de xy – y 0 que satisfaga las condiciones en la frontera y(0) 1, y(1) 6.
En los problemas 13 y 14 la familia de dos parámetros dada es
una solución de la ecuación diferencial que se indica en el intervalo (, ). Determine si se puede encontrar un miembro
de la familia que satisfaga las condiciones en la frontera.
13. y c1e x cos x c2e x sen x; y 2y 2y 0
a) y(0) 1, y(p) 0 b) y(0) 1, y(p) 1
c) y(0) 1,
y
2
1
d) y(0) 0, y(p) 0.
14. y c1x 2 c2x 4 3; x 2y 5xy 8y 24
a) y(1) 0, y(1) 4 b) y(0) 1, y(1) 2
c) y(0) 3, y(1) 0 d) y(1) 3, y(2) 15
4.1.2
ECUACIONES HOMOGÉNEAS
En los problemas 15 a 22 determine si el conjunto de funciones es linealmente independiente en el intervalo (, ).
15. f1(x) x,
f2(x) x 2,
f3(x) 4x 3x 2
16. f1(x) 0,
f2(x) x,
f3(x) e x
17. f1(x) 5,
f2(x) cos2x,
18. f1(x) cos 2x,
19. f1(x) x,
f3(x) sen2x
f2(x) 1, f3(x) cos2x
f2(x) x 1, f3(x) x 3
20. f1(x) 2 x,
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f2(x) 2 兩x兩
TEORÍA PRELIMINAR: ECUACIONES LINEALES
21. f1(x) 1 x,
22. f1(x) e x,
f2(x) x,
f2(x) ex,
129
●
f3(x) x 2
f3(x) senh x
En los problemas 23 a 30 compruebe que las funciones dadas
forman un conjunto fundamental de soluciones de la ecuación diferencial en el intervalo que se indica. Forme la solución general.
e3x, e4x, (, )
23. y y 12y 0;
24. y 4y 0;
cosh 2x, senh 2x, (, )
25. y 2y 5y 0;
e x cos 2x, e x sen 2x, (, )
26. 4y 4y y 0;
e x/2, xe x/2, (, )
27. x 2y 6xy 12y 0;
28. x 2y xy y 0;
x 3, x 4, (0, )
cos(ln x), sen(ln x), (0, )
29. x 3y 6x 2y 4xy 4y 0; x, x2, x2 ln x, (0, )
30. y (4) y 0;
4.1.3
1, x, cos x, sen x, (, )
ECUACIONES NO HOMOGÉNEAS
En los problemas 31 a 34 compruebe que dada la familia de soluciones de dos parámetros, se trata de la solución general de la
ecuación diferencial no homogénea en el intervalo indicado.
31. y 7y 10y 24e x;
y c1e 2x c2e 5x 6e x, (, )
32. y y sec x;
y c1 cos x c2 sen x x sen x (cos x) ln(cos x),
(p兾2, p兾2)
33. y 4y 4y 2e 2x 4x 12;
y c1e 2x c2xe 2x x 2e 2x x 2, (, )
34. 2x 2y 5xy y x 2 x;
y
1/2
c1x
c2 x
1 2
15 x
1
1
6 x,
(0, )
35. a) Compruebe que yp1 3e2x y yp2 x2 3x son, respectivamente, soluciones particulares de
y
6y
9e2x
5y
y
y
6y
5y 5x2 3x 16.
b) Use el inciso a) para encontrar soluciones particulares de
y
y
6y
5y
y
6y
5y
5x2
10x 2
3x
16
6x
9e2x
32
e2x.
36. a) Por inspección encuentre una solución particular de
y 2y 10.
b) Por inspección encuentre una solución particular de
y 2y 4x.
c) Encuentre una solución particular de y 2y 4x 10.
d) Determine una solución particular de y 2y 8x 5.
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130
●
CAPÍTULO 4
ECUACIONES DIFERENCIALES DE ORDEN SUPERIOR
Problemas para analizar
37. Sea n 1, 2, 3, . . . . Analice cómo pueden utilizarse las
observaciones Dnxnl 0 y Dnxn n! para encontrar soluciones generales de las ecuaciones diferenciales dadas.
a) y 0
b) y 0
c) y (4) 0
d) y 2
e) y 6
f) y (4) 24
38. Suponga que y1 ex y y2 ex son dos soluciones de una
ecuación diferencial lineal homogénea. Explique por qué
y3 cosh x y y4 senh x son también soluciones de la
ecuación.
39. a) Compruebe que y1 x3 y y2 兩x兩3 son soluciones linealmente independientes de la ecuación diferencial
x2y 4xy 6y 0 en el intervalo (, ).
b) Demuestre que W(y1, y2) 0 para todo número real x.
¿Este resultado viola el teorema 4.1.3? Explique.
c) Compruebe que Y1 x3 y Y2 x2 son también soluciones linealmente independientes de la ecuación
diferencial del inciso a) en el intervalo (, ).
d) Determine una solución de la ecuación diferencial
que satisfaga y(0) 0, y(0) 0.
4.2
e) Por el principio de superposición, teorema 4.1.2,
ambas combinaciones lineales y c1y1 c2y2 y Y c1Y1 c2Y2 son soluciones de la ecuación diferencial.
Analice si una, ambas o ninguna de las combinaciones lineales es una solución general de la ecuación
diferencial en el intervalo (, ).
40. ¿El conjunto de funciones f1(x) ex 2, f2(x) ex 3 es
linealmente dependiente o independiente en (, )?
Explique.
41. Suponga que yl, y2, . . . , yk son k soluciones linealmente
independientes en (, ) de una ecuación diferencial
lineal homogénea de n-ésimo orden con coeficientes
constantes. Por el teorema 4.1.2 se tiene que yk1 0 es
también una solución de la ecuación diferencial. ¿Es el
conjunto de soluciones yl, y2, . . . , yk, yk1 linealmente
dependiente o independiente en (,)? Explique.
42. Suponga que yl, y2, . . . , yk son k soluciones no triviales
de una ecuación diferencial lineal homogénea de n-ésimo
orden con coeficientes constantes y que k n 1. ¿Es el
conjunto de soluciones yl, y2, . . . , yk linealmente dependiente o independiente en (, )? Explique.
REDUCCIÓN DE ORDEN
REPASO DE MATERIAL
● Sección 2.5 (utilizando una sustitución).
● Sección 4.1.
INTRODUCCIÓN En la sección anterior vimos que la solución general de una ecuación diferencial lineal homogénea de segundo orden
a2(x)y
a1(x)y
a0 (x)y 0
(1)
es una combinación lineal y c1y1 c2y2, donde y1 y y2 son soluciones que constituyen un conjunto linealmente independiente en cierto intervalo I. Al comienzo de la siguiente sección se analiza
un método para determinar estas soluciones cuando los coeficientes de la ED en (1) son constantes.
Este método, que es un ejercicio directo en álgebra, falla en algunos casos y sólo produce una solución simple y1 de la ED. En estos casos se puede construir una segunda solución y2 de una ecuación
homogénea (1) (aun cuando los coeficientes en (1) son variables) siempre que se conozca una solución
no trivial y1 de la ED. La idea básica que se describe en esta sección es que la ecuación (1) se puede
reducir a una ED lineal de primer orden por medio de una sustitución en la que interviene la solución
conocida y1. Una segunda solución y2 de (1) es evidente después de resolver la ED de primer orden.
REDUCCIÓN DE ORDEN Suponga que y1 denota una solución no trivial de (1) y que
y1 se define en un intervalo I. Se busca una segunda solución y2 tal que y1 y y2 sean un conjunto linealmente independiente en I. Recuerde de la sección 4.1 que si y1 y y2 son linealmente independientes, entonces su cociente y2兾y1 no es constante en I, es decir, y2(x)兾 y1(x)
u(x) o y2 (x) u(x)y1(x). La función u(x) se determina al sustituir y2(x) u(x)y1(x) en
la ecuación diferencial dada. Este método se llama reducción de orden porque debemos
resolver una ecuación diferencial lineal de primer orden para encontrar a u.
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