Cómo se resuelve una Ecuacion Diferencial lineal No Homogenea

Cómo resolver una Ecuacion Diferencial lineal No Homogenea y obtener su intervalo de solución

En este artículo identificarás cómo es una Ecuación Diferencial no homogénea y aprenderás a resolverla en 4 pasos, señalando con precisión su intervalo de solución mediante la graficación de la familia de soluciones de la misma.

Ejercicios 2.3 Libro Dennis G. Zill (Problema 26). Tomado de: Dennis G. Zill Ed 7ma.

Encontrar la solución para el problema del valor inicial (PVI), sujeta a:

a)      $y\frac{dx}{dy}-x=2{{y}^{2}}$,             $y(1)=5$

Y, encontrar el intervalo I de solución.

Pasos:

I.                    El primer paso consiste en escribir la forma estándar de la ED a resolver:

Dividimos, entre el coeficiente de $\frac{dx}{dy}$, que es “ ”, los coeficientes de los demás términos de la ecuación que dependen de “x” en realidad aunque la ED está planteada para resolver en función de . Simplificamos.

$\frac{dx}{dy}+P\left( y \right)x=f(y)$

$\frac{dx}{dy}-\frac{x}{y}=2y$

II.                  En el segundo paso encontramos el factor integrante: ${{\mathbf{e}}^{\mathop{\int }^{}\mathbf{P}\left( y \right)\mathbf{dy}}}$,  

El valor de P($y$) en ${{e}^{\mathop{\int }^{}P\left( y \right)dy}}$, $P(y)=\frac{1}{y}$. El manejo de las funciones trascendentes e integrales se muestra al final del ejercicio.

${{e}^{-\mathop{\int }^{}\frac{1}{y}dy}}={{e}^{-\ln |y|}}$

$={{\text{e}}^{\ln {{y}^{-1}}}}$

$={{\text{y}}^{-1}}$

$=\frac{1}{y}$

III.                Como tercer paso, encontramos la familia de soluciones del sistema homogéneo asociado:

El sistema homogéneo asociado es la ecuación diferencial:$\frac{dx}{dy}-\frac{x}{y}=0$. Sustituimos en ${{x}_{c}}=C{{e}^{-\mathop{\int }^{}P\left( y \right)dy}}$, donde: $P(y)=\frac{1}{y}$ encontrado en el primer paso,  y desarrollamos. Para esclarecer de donde sale la fórmula ${{x}_{c}}=C{{e}^{-\mathop{\int }^{}P\left( y \right)dy}}$, siga el siguiente enlace: Solución del sistema homogéneo asociado.

${{\text{x}}_{c}}=C{{e}^{(-)-\mathop{\int }^{}\frac{1}{y}dy}}$

$=C{{e}^{\ln |y|}}$

$=C\text{y}$

Solución Específica para el Sistema Homogéneo

Para encontrar una solución específica para el sistema homogéneo, utilizaremos los valores iniciales de $\text{x}=1;\text{ }\!\!~\!\!\text{  }\!\!~\!\!\text{  }\!\!~\!\!\text{ y}=5$ , de modo que:

$1=C\left( 5 \right)~\Rightarrow ~~C=\frac{1}{5}$

Por tanto, la solución particular (específica) del sistema homogéneo asociado es:

${{x}_{c}}=\frac{1}{5}y$

Grafica de la familia de soluciones del sistema homogeneo asociado:

${{x}_{c}}=Cy$ y la solución particular  ${{x}_{c}}=\frac{1}{5}y$

Ecuacion Diferencial lineal No Homogenea

La función ${{x}_{c}}=Cy$ , tiene como dominio más largo el intervalo:

$D_{x_{c}}:\left \{ x\epsilon \mathbb{R}|0< x< \infty \right \}$

IV. En el cuarto paso, encontramos una solución particular a partir del sistema no homogéneo:

El sistema no homogéneo: $\frac{dx}{dy}-\frac{x}{y}=2y$, que representa la familia de soluciones particulares de la ED lineal. Para resolverla utilizamos la fórmula: ${{x}_{p}}=\frac{1}{{{e}^{\mathop{\int }^{}P\left( y \right)dy}}}\mathop{\int }^{}{{e}^{\mathop{\int }^{}P\left( y \right)dy}}f(y)dy$, donde: ${{e}^{\mathop{\int }^{}P\left( y \right)dy}}={{y}^{-1}}$ (obtenido en el punto ii.) y $f\left( x \right)=2y$ obtenido en el punto i. Para ver de dónde salen estas siga el enlace siguiente: solución del sistema no homogeneo.

${{x}_{p}}=\frac{1}{{{y}^{-1}}}\mathop{\int }^{}{{y}^{-1}}(2y)dy$

$=2y\mathop{\int }^{}dy$

$=2{{y}^{2}}$

Solución del Problema de Valores Iniciales (PVI) de la ED lineal de 1er Orden

La solución del problema del PVI se obtiene al encontrar una solución específica que cumpla con las condiciones iniciales (que las contenga), del problema. Para esto, necesitamos encontrar el valor de “C”, de la solución general, sustituyendo en la solución general, los valores de “x” y “y”, que vienen como condiciones iniciales y despejando “C”.

$x=1;~~~~~~y=5$

Por tanto:

$1=C\left( 5 \right)+2{{(5)}^{2}}$

$\Rightarrow 1=5C+50$

$\Rightarrow 5C=1-50$

$\Rightarrow C=-\frac{49}{5}$

Por lo que UNA solución particular del sistema no Homogéneo, es:

$y=-\frac{49}{5}y+2{{y}^{2}}$

Gráfica de la familia de soluciones del sistema no homogéneo:

$y=Cy+2{{y}^{2}}$

y la solución particular:
$y=-\frac{49}{5}y+2{{y}^{2}}$

Ecuacion Diferencial lineal No Homogenea

El dominio de la solución está en el intervalo:

$D_{x_{p}}:\left \{ x\epsilon \mathbb{R}|-\infty < x< \infty \right \}$

o dicho de forma más común, el dominio de la solución del problema del PVI es el intervalo: $(-\infty ,\infty )$. Notar que nuevamente, el dominio para la solución general de la ED lineal es:

$D_{x}:-\infty < x< 0$  o  $D_{x}:0 < x < \infty$

Por tanto, la solución del Problema del Valor Inicial, de la ecuación diferencial 

$y\frac{dx}{dy}-x=2{{y}^{2}}$, es:

$y=-\frac{49}{5}y+2{{y}^{2}}$

Con intervalo de solución:

$I:\left\{ x\in R|-\infty < x < \infty \right \}$

Recordar:

Logaritmos y exponenciales

$a\ln x=\ln {{x}^{a}}$

Debido a que:

$y={{e}^{x}}$ implica  $x=\ln y$ y además $\ln y={{\log }_{e}}y$ recordamos que la función $x={{\log }_{e}}y$, es inversa de $y={{e}^{x}}$, por tanto si multiplicamos esta última función por ln obtendremos:

$\ln y=\ln {{e}^{x}}=x$   y

${{e}^{x}}={{e}^{\ln y}}=y$

En el análisis de fenómenos físicos modelados con Ecuaciones Diferenciales en la actualidad es importante contar con un software que te permita obtener resultados tanto de las técnicas de Gratificación, como de las técnicas de simulación numérica, es por eso que en este Blog he integrado la página: Haz Tu Simulación (da click aquí), donde podrás escribir tu código en los programas: Octave, Máxima, Python o SAGE, para simular y/o graficar tus modelos de ecuaciones diferenciales.

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La intuición y la confianza son parte importantes en el aprendizaje de esta materia, es por eso que para desarrollarlas será necesario practicar varias veces con los métodos y técnicas aquí descritos teniendo una actitud mental apropiada. Para que conozcas la actitud mental que me ha hecho prosperar en esta y otras materias a lo largo de mi vida, te comparto el artículo: La técnica perfecta para aprender Ecuaciones Diferenciales, donde te revelo la actitud que me ha hecho tener éxito en materias arduas pero fascinantes como esta.

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Ecuacion diferencial lineal de primer orden ejemplos, Zill C. 2.3 (Prob 20)

Ecuacion diferencial lineal de primer orden ejemplos: El siguiente método te ayudará a resolver cualquier tipo de ecuacion diferencial lineal de primer orden mediante ejemplos en 4 pasos sencillos, utilízalo varias veces antes de tatar entenderlo, es mi recomendación, posteriormente podrás ver con mayor facilidad de donde salen las ecuaciones, aquí las explicaremos.

Resolución de ED lineales Libro de Dennis G. Zill Ed 7ma.

Método: Factor Integrante

1. Forma Standard:  $ \frac{dy}{dx}+P\left( x \right)y=f(x)$

2. Factor Integrante: $ {{e}^{\mathop{\int }^{}P\left( x \right)dx}}$

Forma de solución: $ y={{y}_{c}}+{{y}_{p}}$

3.                                  $ {{y}_{c}}=C{{e}^{-\mathop{\int }^{}P\left( x \right)dx}}$

4.                                  $ {{y}_{p}}=\frac{1}{{{e}^{\mathop{\int }^{}P\left( x \right)dx}}}\mathop{\int }^{}{{e}^{\mathop{\int }^{}P\left( x \right)dx}}f(x)dx$

Ecuacion diferencial lineal de primer orden ejemplos

Ejercicios 2.3 Libro Dennis G. Zill (Problema 20)

$ \large {{(x+2)}^{2}}\frac{dy}{dx}=5-8y-4xy$

Pasos:

I.                    El primer paso consiste en escribir la forma estándar de la ED a resolver:

Dividimos, entonces, entre el coeficiente de $ \frac{dy}{dx}$   , que es “$ {{(x+2)}^{2}}$   ”, los coeficientes de los demás términos de la ecuación que dependen de “x”. Simplificamos.

$ \frac{dy}{dx}+P\left( x \right)y=f(x)$

$ \frac{dy}{dx}+\frac{8}{{{(x+2)}^{2}}}y+\frac{4x}{{{(x+2)}^{2}}}y=\frac{5}{{{(x+2)}^{2}}}$

$ \frac{dy}{dx}+\frac{8+4x}{{{(x+2)}^{2}}}y=\frac{5}{{{(x+2)}^{2}}}$

$ \frac{dy}{dx}+\frac{4(2+x)}{(x+2)(x+2)}y=\frac{5}{{{(x+2)}^{2}}}$

$ \frac{dy}{dx}+\frac{4}{(x+2)}y=\frac{5}{{{(x+2)}^{2}}}$

II.                  En el segundo paso encontramos el factor integrante: $ {{\mathbf{e}}^{\mathop{\int }^{}\mathbf{P}\left( \mathbf{x} \right)\mathbf{dx}}}$,  

Para esto sustituimos el valor de P(x) en $ {{e}^{\mathop{\int }^{}P\left( x \right)dx}}$   ,   donde:$ P(x)=\frac{4}{x+2}$   . Para recordar las formulas integrales y el manejo de las funciones trascendentes y la división entre polinomios, vea el final del ejercicio.

$ {{e}^{4\mathop{\int }^{}\frac{1}{x+2}dx}}={{e}^{4\ln (x+2)}}$

$ ={{e}^{\ln {{(x+2)}^{4}}}}$

$ ={{(\text{x}+2)}^{4}}$

III.                Como tercer paso, encontramos la familia de soluciones del sistema homogéneo asociado:

Recordemos que el sistema homogéneo asociado, en este caso, es la ecuación diferencial:$ \frac{dy}{dx}+\frac{4}{(x+2)}y=0$    . Para resolverla sustituimos en la fórmula: $ {{y}_{c}}=C{{e}^{-\mathop{\int }^{}P\left( x \right)dx}}$   , los valores de $ P(x)=\frac{4}{x+1}$   , encontrado en el primer paso,  y desarrollamos. Para esclarecer de donde sale la fórmula $ {{y}_{c}}=C{{e}^{-\mathop{\int }^{}P\left( x \right)dx}}$   , siga el siguiente enlace: Solución del sistema homogéneo asociado.

$ {{y}_{c}}=C{{e}^{-4\mathop{\int }^{}\frac{1}{x+1}dx}}$

$ =C{{e}^{-4\ln (x+2)}}$

$ =C{{e}^{\ln {{(x+2)}^{-4}}}}$

$ =C{{(\text{x}+2)}^{-4}}$

$ =\frac{C}{{{(x+2)}^{4}}}$

Grafica de la familia de soluciones del sistema homogeneo asociado:

$ \large {{y}_{c}}=\frac{C}{{{(x+2)}^{4}}}$

ecuacion diferencial lineal de primer orden ejemplos

Se puede ver una solución particular $ y=-\frac{243}{{{(2+x)}^{4}}}$    donde $ C=-243$   . Notar que la función $ {{y}_{c}}=\frac{C}{{{(x+2)}^{4}}}$, tiene como dominio más largo el intervalo: $ -2\le x\le \infty $    (analizar el denominador de la función $ \frac{C}{{{(x+2)}^{4}}}$, (notar que el intervalo $ -\infty \le x\le -2$    , es menor que el mencionado. El intervalo más largo de definición de UNA solución es: $ (-2~,\infty )$   . El intervalo de definición de una solución, por definición (ver Intervalo de definición de una solución I), necesita cumplir al menos 2 criterios para ser considerado válido: 1. Que la función solución que se encuentra esté definida en él (no necesariamente continua, una función definida por partes también puede calificar), y 2. Que esta función sea, también, derivable dentro del intervalo.

IV. En el cuarto paso, encontramos una solución particular a partir del sistema no homogéneo:

El sistema no homogéneo, en este caso, es la ecuación diferencial: $ \frac{dy}{dx}+\frac{4}{(x+2)}y=\frac{5}{{{(x+2)}^{2}}}$   , que representa la familia de soluciones particulares de la ED lineal. Para resolverla utilizamos la fórmula: $ {{y}_{p}}=\frac{1}{{{e}^{\mathop{\int }^{}P\left( x \right)dx}}}\mathop{\int }^{}{{e}^{\mathop{\int }^{}P\left( x \right)dx}}f(x)dx$   , donde: $ {{e}^{\mathop{\int }^{}P\left( x \right)dx}}=\frac{4}{(x+2)}$    (obtenido en el punto ii.) y $ f\left( x \right)=\frac{5}{{{(x+2)}^{2}}}$    obtenido en el punto i. Para ver de dónde salen estas siga el enlace siguiente: solución del sistema no homogeneo.

${{y}_{p}}=\frac{1}{{{(x+2)}^{4}}}\mathop{\int }^{}{{(x+2)}^{4}}\frac{5}{{{(x+2)}^{2}}}dx$

$ =\frac{5}{{{(x+2)}^{4}}}\mathop{\int }^{}{{(x+2)}^{2}}dx$

$ =\frac{5}{{{(x+2)}^{4}}}\mathop{\int }^{}({{x}^{2}}+4x+4)dx$

$ =\frac{5}{{{(x+2)}^{4}}}\mathop{\int }^{}{{x}^{2}}dx+4\mathop{\int }^{}xdx+4\mathop{\int }^{}dx$

$ =\frac{5}{{{\left( x+2 \right)}^{4}}}(\frac{{{x}^{3}}}{3}+4\frac{{{x}^{2}}}{2}4x)$

$ =\frac{5{{x}^{3}}}{3{{\left( x+2 \right)}^{4}}}+\frac{10{{x}^{2}}}{{{\left( x+2 \right)}^{4}}}+\frac{20x}{{{(x+2)}^{4}}}$

$ =(\frac{5x}{{{\left( x+2 \right)}^{4}}})(\frac{1}{3}{{x}^{2}}+2x+4)$

$ =\frac{5x({{x}^{2}}+6x+12)}{3{{\left( x+2 \right)}^{4}}}$

Gráfica de la familia de soluciones del sistema no homogéneo:

$ y=\frac{C}{{{(x+2)}^{4}}}+\frac{5x({{x}^{2}}+6x+12)}{3{{\left( x+2 \right)}^{4}}}$

ecuacion diferencial lineal de primer orden ejemplos

Se puede ver una solución particular $ y\left( x \right)=-\frac{824}{3{{(2+x)}^{4}}}+\frac{20x}{{{(2+x)}^{4}}}+\frac{10{{x}^{2}}}{{{(2+x)}^{4}}}+\frac{5{{x}^{3}}}{3{{(2+x)}^{4}}}$, Donde: $ C=-\frac{824}{3}$. Nuevamente notar que la función $ y=\frac{C}{{{(x+2)}^{4}}}+\frac{5x({{x}^{2}}+6x+12)}{3{{\left( x+2 \right)}^{4}}}$, tiene como dominio el intervalo (más largo): $ (-2~,\infty )$. Por definición (ver Intervalo de definición de una solución I), el intervalo que contiene la solución de una ED, debe cumplir con 2 criterios: que la función esté definida y sea derivable en dicho intervalo.

Por tanto, la solución general de la ecuación diferencial $ ({{(x+2)}^{2}}\frac{dy}{dx}=5-8y-4xy$, es:

$ \LARGE y=\frac{C}{{{(x+2)}^{4}}}+\frac{5x({{x}^{2}}+6x+12)}{3{{\left( x+2 \right)}^{4}}}$

Ecuacion diferencial lineal de primer orden ejemplos (Repasos)

Recordar:

Logaritmos y exponenciales

$ a\ln x=\ln {{x}^{a}}$

Debido a que:

$ y={{e}^{x}}$    implica  $ x=\ln y$    y además $ \ln y= \log_{e}y$ recordamos que la función $ x=\log_{e}y$   , es inversa de $ y=e^{x}$   , por tanto si multiplicamos esta última función por ln obtendremos:

$ \ln y=\ln {{e}^{x}}=x$      y

$ {{e}^{x}}={{e}^{\ln y}}=y$

Factorización

$ \left( \frac{5x}{{{\left( x+2 \right)}^{4}}} \right)\left( \frac{1}{3}{{x}^{2}}+2x+4 \right)=\left( \frac{5x}{{{\left( x+2 \right)}^{4}}} \right)\left( \frac{{{x}^{2}}+6x+12}{3} \right)=\frac{5x({{x}^{2}}+6x+12)}{3{{\left( x+2 \right)}^{4}}}$

$ \frac{1}{3}{{x}^{2}}+2x+4=\frac{{{x}^{2}}+6x+12}{3}$