pauta control mañana ecuadif

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  • 7/26/2019 Pauta Control Maana ecuadif

    1/3

    U. DE SANTIAGO DE CHILE DEP. DE MATEMATICA Y C.C.

    Pauta

    Control 2 (Maana)ECUACIONES DIFERENCIALES PARA INGENIERIAPrimer Semestre 2016

    pregunta 1. Encuentre la solucin en potencias de x de la Ecuacindiferencial:

    (x2 4)y00

    + 3xy0

    +y = 0

    sujeta a las condiciones :

    y(0) = 2 , y0(0) = 0

    SolucinDada la ecuacin diferencial, tenemos;

    y00

    + 3x

    x2 4y0

    + 1

    x2 4y= 0

    Notemos que:p(x) = 3x

    x24 ) sus puntos singulares son 2

    q(x) = 1x24

    ) sus puntos singulares son 2

    ....................................................................................................................0.3

    yx0 = 0es un punto ordinario de la ecuacin, entonces por teorema

    existe solucin

    y(x) =

    1Xn=0

    anxn:

    Ahora derivando tenemos:y0

    (x) =P1

    n=1nanxn1 y y

    00

    (x) =P1

    n=2n(n 1)anxn2. Reemplazando

    en la ED.

    1

    Xn=2n(n 1)anx

    n

    1

    Xn=24n(n 1)anx

    n2 +1

    Xn=13nanx

    n +1

    Xn=0anx

    n = 0

    Ahora arreglando las sumatorias y factorizando obtenemos :

    1Xn=0

    [n(n 1)an 4(n+ 2)(n+ 1)an+2+ 3nan+an]xn= 0

    .....................................................................................................................0.5

    As obtenemos la formula de recurrencia:

    an+2=n(n 1) + 3n+ 1

    4(n+ 2)(n+ 1) an

    1

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    o equivalentemente

    an+2= n+ 14(n+ 2)

    an

    ..................................................................................................................0.7

    ahora dandonos casos para n obtenemos lo siguiente:

    a2n = 1 3 5 (2n 1)

    4n 1 2 4 (2n)a0

    a2n+1=

    1 2 4 (2n)

    4n 1 3 5 (2n+ 1)a1

    .................................................................................................................0.7

    As obtenemos las soluciones:

    y(x) = a0

    1 +

    1Xn=0

    1 3 5 (2n 1)

    4n 1 2 4 (2n)x2n

    !+a1

    x+

    1Xn=0

    1 2 4 (2n)

    4n 1 3 5 (2n+ 1)x2n+1

    !

    Por lo tanto

    y(x) = a0y1(x) + a1y2(x):

    .........................................................................................................................0.3

    usando las condiciones iniciales tenemos que

    a0 = 2

    a1 = 0

    .......................................................................................................................0.3

    por tanto:

    y(x) = 2

    1 +

    1Xn=0

    1 3 5 (2n 1)

    4n 1 2 4 (2n)x2n

    !

    ..................................................................................................................................................0.2

    pregunta 2. Un objeto que pesa 500 kg se hunde en el agua partiendodel reposo. Sobre el actua el agua con dos fuerzas; Una su empujehacia arriba de 100 kg y la otra su resistencia que es proporcional ala velocidad instantanea, con constante de proporcionalidad igual a163. Hallar la distancia recorrida al cabo de 5 segundos.

    2

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    Solucin

    Con g= 10m=s

    2

    , por la segunda ley de Newton tenemos

    m a=X

    Fi

    ...............................................................................................................................0.4

    Seax(t)la distancia del objeto en el instante de tiempo t. Sabemosque a= x

    00

    y v= x0

    entonces a= v0

    , asi

    m v0

    = 500 100 163v

    ..............................................................................................................................0.6

    sabemos que la masa es m= Pg

    entonces m= 50.As tenemos

    50 v0

    = 400 163v

    Resolviendo la ecuacin diferencial obtenemos

    v(t) =400

    163(1 e

    163

    50 t)

    ......................................................................................................................................0.7

    La ecuacion de la posicion:

    x0

    (t) =400

    163(1 e

    163

    50 t

    )

    ..........................................................................................................................................0.3

    entonces resolviendo esta ecuacin diferencial obtenemos:

    x(t) =400

    163(t+

    50

    163e163

    50 t

    50

    163)

    .......................................................................................................................................0.5

    As obtenemos

    x(5) =400

    163(5+

    50

    163e163

    10 50

    163)

    .........................................................................................................................................0.5

    3