guia n02 mat430 2013 1 ecuaciones diferenciales ordinarias
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Dirección de Formación GeneralPrograma de Matemática
Cálculo II
GUIA Nº 2
Ecuaciones Diferenciales Ordinarias (EDO)
El concepto de ecuación se asocia a una igualdad que sólo se satisface cuando la variable es sustituida por un valor numérico, llamado solución de la ecuación. Existen variadas ecuaciones: de primer grado, de segundo grado, exponenciales, logarítmicas, sistemas de ecuaciones, etc.
Utilizando el concepto de derivación de una función es posible construir un tipo distinto de ecuaciones. Por ejemplo la ecuación y’ = y. Este tipo de ecuaciones se denominan ecuaciones diferenciales (ED) y su solución no es un número, sino una función, o una familia de funciones. En el ejemplo la solución es la función xexfy == )( .
ClasificaciónLas ED tienen varias clasificaciones. Las ED se llaman ordinarias (EDO) si
la función solución es de una sola variable independiente ( )(xf ) y se llaman ED parciales (EDP) si la función solución tiene más de una variable independiente (
),( yxf ). Las ED son lineales si en cada término no aparecen multiplicaciones de la función solución consigo misma ni con sus derivadas; se llaman ED no lineales en caso contrario. Toda ED tiene un orden, que corresponden al orden de la derivada más alta de la función solución.
ED lineal no lineal
ordinariax
x
yyeyx x ln'''2 =+−
orden 2
02 =+ xydx
dyy
orden 1
parcialxe
yf
x
f =∂∂+
∂∂
3
3
orden 3
x
y
f
x
f2
4
4
4
=
∂∂⋅
∂∂
orden 4
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Cálculo II
Observación: )('' xfyDydx
dyx ===
Una EDO lineal de orden n en general puede escribirse como:
)()()(...)()( 011
1
1 xgyxadxdy
xadx
ydxa
dx
ydxa
n
n
nn
n
n =++++ −
−
−
las funciones )(xai que multiplican a las derivadas se llaman coeficientes.
Comprobar una soluciónCuando una función f(x), se sustituye en una EDO y transforma esa
ecuación en una identidad, se dice que es una solución de la ecuación. Por
ejemplo la función xxfy ln)( == es solución de la ecuación 0'
'' =+x
yy , lo que se
comprueba obteniendo la primera y la segunda derivada de f(x) y verificando la igualdad.
A) Comprobar si la función corresponde a una solución de la EDO correspondiente.
función ecuación1) xexf −=)( 0=+ y
dx
dy
2) xx eexf 2)( −+= 02''' =−+ yyy
3)x
xxf1
ln)( −= xyyx ln1' +=+⋅
4)xxf =)(
2
1' =⋅yy
5) 82
)( −= xexf xy
y2
' =
No todas las ecuaciones diferenciales son fáciles de resolver, y algunas no tienen solución exacta. Analizaremos las EDO de variable separable, así como
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Cálculo II
las lineales de primer orden y de segundo orden con coeficientes constantes.
Ecuación de Variable Separable
Se dice que una EDO de primer orden, de la forma
)()( yfxgdx
dy ⋅=
Es separable o de variables separables
B) Indique cuál(es) de las siguientes EDO es(son) de variables separables.
6) 2yedx
dy x += 7) yxdx
dyln2 ⋅=
8) yxyxy −= 2' 9) yxey 5' +=
Es posible solucionar una EDO de variable separable
)()( yfxgdx
dy =
ordenando
dxxgyf
dy)(
)(=
Posteriormente se integra, considerando una constante de integración.CxGyH += )()(
Si hubiera un valor inicial byaxbay =→== ,)( se reemplaza y se obtiene un valor para C. Finalmente se despeja )(xfy = , que es la solución de la EDO.
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Observación: Si 1C es una constante, entonces también son constantes, por
ejemplo: 11
1 ln,,2
,8 1 CeC
C C , etc., y pueden nombrarse con una sola letra, por
ejemplo: .1 CeC
=
C) Resuelva las siguientes EDO utilizando el método de variables separables:
10) xydx
dy = 11) y
e
dx
dy x
2= 12
)126 −=+ y
dx
dy
13) 55 yxdx
dy = 14)
)8(5' −= yy 15)
22 33 yxxdx
dy +=
D) Resolver las siguientes EDO con problema de valor inicial:(ayuda: recordar que baba eee ⋅=+ y que ae a =ln )
16) 0)0( ,2
== yy
x
dx
dy 17)
1)0( , −== yedx
dy y 18)
10)0( ,40 == yydx
dy
19)100)1(
5,0
=
−=
y
ydx
dy20)
10)0( , == ykydx
dy
y además: 25)3( =y
21)
,6 26 yxdx
dy =
( ) 11 =y
22)
623 yxdx
dy =
( ) 12 =y
EDO lineal de primer orden
Una EDO lineal de primer orden es una ecuación del tipo:
)()()( 01 xfyxadx
dyxa =+
donde )( ),( ),( 01 xfxaxa son funciones en la variable x.
Al dividir ambos lados de la ecuación anterior por el coeficiente )(1 xa , se
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obtiene una forma más útil, llamada forma estándar de la ecuación lineal.
)()( xhyxpdx
dy =+
Cuya solución queda expresada mediante la fórmula:
( ) ( ) ( ) ( )( )∫ ∫∫ += − dxxheCexy
dxxpdxxp
Si se calcula primeramente( )∫= dxxpxQ )(
entonces( ) ( )( )∫+= − )()( dxxheCexy xQxQ
E) Resuelva las siguientes EDO lineales de primer orden
23) 124 =+ ydx
dy
(Comprobar por variable separable)
24) xxydx
dy2=+
25) 201 =+ yxdx
dy26) 9
3 +=− xyxdx
dy
27) 291263 xxydx
dyx +=+ 28) 261042 xxy
dx
dyx +=+
F) Resuelva las siguientes EDO lineales de primer orden con valor inicial
29) 1)1( , 124 ==+ yydx
dy30) 2)1( , 3 ==+ yxxy
dx
dy
31) 0)2( , 21 ==+ yyxdx
dy32) 2)1( , 3
1 ==+ yxyxdx
dy
Más ejercicios puedes encontrar en
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Cálculo II
Cálculo - J.Stewart. - Thompson LearningEcuaciones Diferenciales - C.Edwards , D.Penney - Prentice Hall
Ecuaciones Diferenciales con Modelado - Dennis G Zill – Cengage Learning Editores
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Soluciones1) Si2) Si3) Si4) Si5) Si6) No7) Si8) Si9) Si
10) 22xCey =
11) Cey x +=
12) 26 −= − xCey
13) 4 6
3
2
1
xC
y
−=
14) 85 += xCey
15) 13 −= xCey
16) 3
2 3xy =
17) )ln( xey −−=18) xey 4010 ⋅=
19) xey 5,09,164 −⋅=
20) xey 30543,010 ⋅=
21) 7613
7
xy
−=
22) 3541
1
xy
−=
23) 34 += − xCey
24) 222 += −xCey
25) xx
Cy 10+=
26) xxCxy2
923 −−=
27) 4
3
3
4 2
2
xx
x
cy ++=
28) 4
3
3
5 2
2
xx
x
cy ++=
29) 32,109 4 +−= − xey
30) 3
147,7
2
2
3
+=
−
xey
31) xx
y +−= 4
32) 21x
xy +=
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