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Ecuaciones Diferenciales Ordinarias




Enviado por Gatsby Morgado



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    Ecuaciones Diferenciales Ordinarias
    Generalidades:
    Definición:
    Una ecuación diferencial ordinaria es una ecuación que
    contiene derivadas ordinarias de una o mas variables
    dependientes con respecto a una sola variable independiente.
    Las siguientes son ecuaciones diferenciales ordinarias:
    Ejemplos:
    El orden de una ecuación diferencial es el orden de la
    derivada de mayor orden en la ecuación diferencial.

    Ejemplos:
    es una ED de segundo orden

    es una ED de primer orden

    Una ecuación diferencial ordinaria de primer orden
    también puede expresarse en términos de las diferenciales de
    las variables, en cuyo caso se obtiene la forma diferencial de
    la ecuación diferencial. Ejemplo:
    Por lo que

    de la ecuación diferencial
    es la forma diferencial

    .
    diferencial:
    es la forma diferencial de la ecuación
    porque:
    Una función
    es solución explícita de una
    ecuación diferencial, si satisface dicha ecuación, es decir, si
    al sustitir la variable “ ” por su expresión “ ” en la
    ecuación diferencial, se obtiene una identidad.

    Ejemplo:
    La función
    es solución explícita de la ecuación
    diferencial
    , porque
    satisface esta
    ecuación. Veamos:
    Una relación en términos de y de , de la forma
    es una solución implícita de una ecuación
    diferencial, si dicha relación define al menos una función
    que es solución explícita de la ecuación diferencial.

    Ejemplo:
    es de la forma

    es solución implícita de
    La relación

    en donde
    la ecuación diferencial
    define
    implícitamente
    las
    porque
    funciones
    y
    ,
    cada una de las cuales es solución explícita de la ecuación
    diferencial:
    , como se muestra enseguida:

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    O bien la relación
    es solución implícita
    de , porque al derivar implícitamente, dicha
    relación se obtiene la mencionada ecuación diferencial,
    veamos:
    Ecuaciones de variables separables

    Definición:

    Una ecuación diferencial es una ecuación de variables
    separables o ecuación separable si tiene la forma:
    en donde “ ” y “ ” son funciones de “ ”, y “ ” y “ ” son
    funciones de “ ”. donde cada una de ellas puede ser
    constante

    Ejemplo:

    La ecuación diferencial

    es una ecuación separable, porque cumple con la definición:
    Una ecuación separable:

    se resuelve multiplicándola por el factor
    llamado
    factor integrante, obteniéndose una ecuación difiierencial
    equivalente a la ecuación diferencial original, es decir, que
    tiene las mismas soluciones que la primera. Entonces:
    Al integrar ambos lados de esta ecuación se obtiene una
    familia de soluciones llamada la solución general de la
    ecuación diferencial original. Tenemos que:

    Ejemplo:

    Resolver la ecuación:

    Solución: La ecuación es separable, entonces, dividiendo
    entre “
    ” se obtiene:
    Integrando esta última ecuación se tiene:
    Entonces
    implícita de la ecuación

    Ejemplo:

    Resolver la ecuación:
    de modo que

    Solución: La ecuación
    es la solución general

    ,

    <1>
    es separable, por lo que se deben separar las variables en dos
    productos, uno en términos de x y el otro en términos de y,
    para lo cual se multiplica la ecuación por el factor integrante
    , obteniéndose los siguiente:
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    Integrando esta última ecuación se obtiene:
    De donde:
    (Solución general implícita)

    La condición inicial o valor inicial
    es una
    condición que restringe la solución general a un valor
    particular de la constante “ ” , obtenièndose una solución
    particular de la ecuación diferencial, para lo cual puede
    mencionarse lo siguiente:

    La condición inicial
    debe interpretarse a partir
    del hecho de que la variable “ ” es una función de “ ” , es
    decir

    de
    cuando
    y
    ; por lo que
    significa que
    . Por lo tanto, sustituyendo los valores
    en la solución general, se obtiene:
    Entonces la solución del problema de valor inicial del
    ejemplo es:

    lo cual es una solución particular de la ecuación diferencial:
    Ciertas ecuaciones diferenciales no tienen la forma o el
    aspecto de una ecuación separable, pero pueden
    transformarse, mediante un cambio de variable, en una
    ecuación separable. Un ejemplo de tales ecuaciones
    diferenciales son aquellas que tienen la siguiente la forma:
    en donde
    es una expresión en “ ” y “ ” , o
    función de “ ” y “ ” , para la cual existe una función
    escalar o función real “ ” tal que:
    en donde
    en cuyo caso
    . Por lo tanto,
    :
    derivando

    Por lo que:
    Ecuación separable
    , son las

    , siempre que
    Ahora multiplicando por el factor integrante
    nos queda:

    Por lo tanto, las soluciones de

    mismas que las de

    y
    .

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    Ejemplo:

    Resolver la ecuación

    Solución:
    Haciendo
    , se tiene:
    Observe la relación entre las expresiones en recuadros

    Por lo que:
    (Ecuación separable)
    Integrando esta última expresión tenemos:
    Pero
    , entonces devolviendo el cambio:
    De donde la expresión:

    Es la solución general de la ecuación:

    Ecuaciones lineales de primer orden
    Definción:

    Una ecuación diferencial ordinaria de primer orden es una
    ecuación diferencial lineal de primer orden en la variable
    dependiente y respecto a la variable independiente y
    , si es o puede
    respecto a la variable independiente
    escribirse de la forma:
    Ecuación
    La ecuación anterior también es llamada
    Diferencial de Bernoulli
    Ejemplo:
    La ecuación:
    es una ecuación diferencial
    lineal de primer orden en la variable y respecto a x , porque
    puede escribirse de la forma
    . Veamos:
    Tenemos que
    y

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    Ecuaciones Diferenciales Ordinarias
    Una ecuación lineal de primer orden:

    se resuelve multiplicándola por el factor integrante:

    Como se muestra enseguida:

    Multiplicando por el factor integrante:
    Pero
    Así que:
    Ahora, integrando esta última ecuación se tiene:
    De donde:

    es la solución general de la ecuación lineal:

    Ejemplo:

    Resolver la ecuación

    Solución:
    en donde
    ,
    por el factor
    Multiplicando la ecuación
    integrante:

    se obtiene:
    Pero
    , entonces:
    de donde:

    Integrando esta última ecuación diferencial, se obtiene
    Por lo tanto,
    es la solución de

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    Ejemplo:
    Resolver la ecuación:
    ,
    .
    de tal manera que

    en donde
    y
    por
    Multiplicando la ecuación
    el factor integrante:
    se obtiene:

    Pero:

    Entonces

    De donde

    Integrando esta última ecuación se obtiene:
    De donde:
    y
    ,
    ,
    en la
    Es la solución general de
    la cuál está sujeta a la condición inicial
    entonces sustituyendo los valores
    solución general, se obtiene:

    De donde
    , por lo que:
    es la solución del problema del valor inicial del ejemplo en
    cuestión.

    Ejercicios:

    Resuelva la ecuación diferencial que se indica:

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    Del ejercicio 41 al 50, resuelva la ecuación diferencial con el
    valor inicial que se indica:
    Respuestas de los ejercicios impares:

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