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Equações Diferenciais Ordinárias

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Equações Diferenciais Ordinárias
Equações Diferenciais Ordinárias
Notas de aulas - 21 de Maio de 2003
Computação, Engenharia Elétrica e Engenharia Civil
Prof. Ulysses Sodré
ii
c
Copyright 2002
Ulysses Sodré. Todos os direitos reservados.
email: <[email protected]>
email: <[email protected]>
Material compilado no dia 21 de Maio de 2003.
Este material pode ser usado por docentes e alunos desde que citada a fonte, mas não pode ser vendido
e nem mesmo utilizado por qualquer pessoa ou entidade para auferir lucros.
Para conhecer centenas de aplicações da Matemática, visite a Home Page:
http://pessoal.sercomtel.com.br/matematica/
Ora, a fé é o firme fundamento das coisas que se esperam e a
prova das coisas que não se vêem. Porque por ela os antigos alcançaram bom testemunho. Pela fé entendemos que os mundos
foram criados pela palavra de Deus; de modo que o visível não
foi feito daquilo que se vê. HEBREUS 11:1-3, Bíblia Sagrada.
CONTEÚDO
iii
Conteúdo
1
2
3
Conceitos fundamentais em equações diferenciais
1
1.1
Definição de Equação Diferencial Ordinária . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.2
Ordem e Grau de uma Equação Diferencial . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.3
Classes de diferenciabilidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
1.4
Operadores diferenciais lineares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
1.5
Equação Diferencial Ordinária Linear de ordem n . . . . . . . . . . . . .
3
1.6
Solução de uma Equação Diferencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
1.7
Existência e unicidade de solução para uma EDO . . . . . . . . . . . . .
4
1.8
Problema de Valor Inicial (PVI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
Equações diferenciais ordinárias de primeira ordem
5
2.1
As formas normal e diferencial de primeira ordem . . . . . . . . . . . . .
5
2.2
Equações separáveis de primeira ordem . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
2.3
Modelos Matemáticos e Equações Diferenciais . . . . . . . . . . . . . . .
6
2.4
Crescimento Populacional: Modelo de Malthus . . . . . . . . . . . . . . .
7
2.5
Crescimento Populacional: Maodelo de Verhulst . . . . . . . . . . . . . .
9
2.6
Equações homogêneas de primeira ordem . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
2.7
Equações Exatas de primeira ordem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
2.8
Teorema de Existência e Unicidade de solução de um PVI . . . . . . . . .
15
2.9
Simplificação de equações lineares de primeira ordem . . . . . . . . . . .
15
2.10 Complementos de Análise na reta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
2.11 Método do Fator Integrante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
2.12 Equações não lineares de primeira ordem redutíveis a lineares . . . . . .
20
Equações diferenciais ordinárias de segunda ordem
24
3.1
24
Equações lineares de segunda ordem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
CONTEÚDO
3.2
Equações Lineares homogêneas de segunda ordem . . . . . . . . . . . .
24
3.3
Teorema de Existência e Unicidade de solução de um PVI . . . . . . . . .
24
3.4
Equações Lineares de 2a. ordem com coeficientes constantes . . . . . . .
25
3.5
Solução da equação homogênea associada . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
3.6
Método de d’Alembert para obter outra solução . . . . . . . . . . . . . .
27
3.7
Equação eqüidimensional de Euler-Cauchy . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
3.8
Método dos Coeficientes a Determinar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
3.9
Método da Variação dos Parâmetros (Lagrange) . . . . . . . . . . . . . .
38
4 Redução da ordem de uma equação diferencial
5
iv
42
4.1
Equação do tipo y (n) = f (x) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
4.2
Equação que não tem o termo em y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
4.3
Equação que não tem os termos em y e em y 0 . . . . . . . . . . . . . . . .
43
4.4
Equação que não tem os termos em y, y 0 e y 00 . . . . . . . . . . . . . . . .
44
4.5
Equação que não tem y, y 0 , y 00 , ... , y (k−1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44
4.6
Equação que não tem a variável independente x . . . . . . . . . . . . . .
44
4.7
EDO F (y, y 0 , ..., y (n) ) = 0, F homogênea só nas variáveis y (k) . . . . . . .
45
Aplicações de equações diferenciais ordinárias
46
5.1
Decaimento Radioativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46
5.2
Lei do resfriamento de Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
5.3
Elementos de Eletricidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
5.4
Circuitos Elétricos RLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50
Seção 1 Conceitos fundamentais em equações diferenciais
1
1
Conceitos fundamentais em equações diferenciais
1.1 Definição de Equação Diferencial Ordinária
Uma Equação Diferencial Ordinária (EDO) é uma equação da forma
F (x, y(x), y 0 (x), y 00 (x), ..., y (n) (x)) = 0
envolvendo uma função incógnita y = y(x) e suas derivadas ou suas
diferenciais. x é a variável independente, y é a variável dependente e o
símbolo y (k) denota a derivada de ordem k da função y = y(x).
Exemplos:
1. y 00 + 3y 0 + 6y = sin(x)
2. (y 00 )3 + 3y 0 + 6y = tan(x)
3. y 00 + 3y y 0 = ex
4. y 0 = f (x, y)
5. M (x, y)dx + N (x, y)dy = 0
1.2 Ordem e Grau de uma Equação Diferencial
A ordem da equação diferencial é a ordem da mais alta derivada da função incógnita que ocorre na equação. Grau é o valor do expoente para a
derivada mais alta da equação, quando a equação tem a “forma” de um
polinômio na função incógnita e em suas derivadas, como por exemplo:
A y (3) + B y (2) + C y (1) + D y (0) = 0
Exemplos:
1. y 00 + 3y 0 + 6y = sin(x) e y 00 + 3y y 0 = ex têm ordem 2 e grau 1.
2. (y 00 )3 + 3(y 0 )10 + 6y = tan(x) tem ordem 2 e grau 3.
3. y 0 = f (x, y) e M (x, y)dx + N (x, y)dy = 0 têm ordem 1 e grau 1.
1.3
Classes de diferenciabilidade
2
1.3 Classes de diferenciabilidade
Uma função real f : R → R pertence à classe de diferenciabilidade
C n (R), se:
1. f é contínua;
2. Todas as derivadas f (k) (k = 1, 2, 3, ..., n) são funções contínuas
Quando n = 0, identificamos a classe da funções reais contínuas com
C 0 (R).
Exemplos:
1. A função f : R → R definida por f (x) = |x| pertence à classe C 0 (R)
mas não pertence à classe C 1 (R).
2. A função g : R → R definida por g(x) = |x|3 pertence à classe C 3 (R)
mas não pertence à classe C 4 (R).
3. A função h : R → R definida por h(x) = ex pertence à classe C ∞ (R).
1.4 Operadores diferenciais lineares
Demonstra-se que o conjunto F = C n (R) de todas as funções reais n
vezes continuamente diferenciáveis, é um espaço vetorial sobre R. Para
cada f ∈ F, definimos o operador diferencial D : F → F por
D(f ) = f 0
sendo D0 (f ) = f . Para cada k = 1, 2, 3, ..., n, definimos o operador diferencial recursivo Dk : F → F por
Dk (f ) = D[Dk−1 (f )] = f (k)
que representa a derivada de ordem k da função f ∈ F.
1.5
Equação Diferencial Ordinária Linear de ordem n
3
Demonstra-se que são lineares estes operadores diferenciais Dk : F →
F, isto é, para quaisquer f, g ∈ F e para quaisquer a, b ∈ R:
Dk (af + bg) = a Dk (f ) + b Dk (g)
Exemplo: O operador L = x5 D2 + ex D + sin(x)I é linear sobre o espaço
vetorial F = C 2 (R), pois para para quaisquer f, g ∈ F e para quaisquer
números reais a e b, vale a identidade
L(af + bg) ≡ a L(f ) + b L(g)
1.5 Equação Diferencial Ordinária Linear de ordem n
Uma equação diferencial linear de ordem n é da forma
a0 (x) y (n) + a1 (x) y (n−1) + a2 (x) y (n−2) + ... + an (x) y = b(x)
onde as funções b = b(x) e ak = ak (x) (k = 0, 1, 2, ..., n), são funções conhecidas sendo a0 = a0 (x) não identicamente nula e todas estas funções
devem depender somente da variável x. A função (incógnita) desconhecida é y = y(x).
Em virtude das informações da seção anterior, é possível definir o operador diferencial linear
L = a0 (x) D(n) + a1 (x) D(n−1) + a2 (x) D(n−2) + ... + an (x) I
e assim a equação diferencial acima terá a forma simplificada
L(y) = b(x)
e este é o motivo pelo qual, a equação diferencial acima recebe o nome
de linear.
1.6 Solução de uma Equação Diferencial
Uma solução para uma equação diferencial é uma função que satisfaz
identicamente à equação. A solução mais geral possível que admite uma
1.7
Existência e unicidade de solução para uma EDO
4
equação diferencial é denominada solução geral, enquanto que outra solução é chamada uma solução particular.
Exemplos:
1. y(x) = e−x é uma solução particular de y 0 + y = 0.
2. y(x) = Ce−x é a solução geral de y 0 + y = 0.
3. y(x) = sin(x) é uma solução particular de y 00 + y = 0.
4. y(x) = A sin(x) + B cos(x) é a solução geral de y 00 + y = 0.
5. y(x) = 777 é uma solução particular de y 00 + 3y y 0 = 0.
1.7 Existência e unicidade de solução para uma EDO
Três perguntas importantes sobre soluções para uma EDO.
1. Dada uma equação diferencial, será que ela tem solução?
2. Se tiver solução, será que esta solução é única?
3. Existe uma solução que satisfaz a alguma condição especial?
Para responder a estas perguntas, existe o Teorema de Existência e Unicidade de solução que nos garante resposta para algumas das questões
desde que a equação tenha algumas características.
Alertamos que descobrir uma solução para uma Equação Diferencial é
algo
“similar” ao cálculo de uma integral e nós sabemos que existem integrais
que não possuem primitivas, como é o caso das integrais elípticas. Dessa
forma, não é de se esperar que todas as equações diferenciais possuam
soluções.
1.8
Problema de Valor Inicial (PVI)
5
1.8 Problema de Valor Inicial (PVI)
Uma equação diferencial satisfazendo algumas condições adicionais é
denominado Problema de Valor Inicial (PVI).
Exemplo:
ex y 0 + 2y = arctan(x)
y(0) = π
Se são conhecidas condições adicionais, podemos obter soluções particulares para a equação diferencial e se não são conhecidas condições adicionais poderemos obter a solução geral.
2
Equações diferenciais ordinárias de primeira ordem
2.1 As formas normal e diferencial de primeira ordem
Uma grande quantidade de equações diferenciais ordinárias de primeira
ordem pode ser escrita na sua forma normal, dada por:
y 0 = f (x, y)
ou quando a função f = f (x, y) pode ser escrita como o quociente de
duas outras funções M = M (x, y) e N = N (x, y), temos:
y0 =
M (x, y)
N (x, y)
É vantajoso manter o sinal negativo antes da fração, na forma
y0 = −
M (x, y)
N (x, y)
pois usando o fato que dy = y 0 (x)dx, poderemos escrever
M (x, y)dx + N (x, y)dy = 0
Exemplos:
2.2
Equações separáveis de primeira ordem
6
1. A equação diferencial y 0 = cos(x + y) está em sua forma normal.
x
2. A equação diferencial y 0 = está em sua forma normal, mas pode
y
ser reescrita na sua forma diferencial xdx − ydy = 0.
2.2
Equações separáveis de primeira ordem
Seja uma equação diferencial M (x, y) dx + N (x, y) dy = 0. Se M é uma
função apenas da variável x, isto é M = M (x) e N é uma função apenas
da variável y, isto é N = N (y), então a equação dada fica na forma
M (x) dx + N (y) dy = 0
e ela é chamada equação separável. Isto é motivado pelo fato que é possível separar as funções de modo que cada membro da igualdade possua
uma função com apenas uma variável. Desse modo, podemos realizar a
integração de cada membro por um processo “simples”.
x
Exemplo: A equação diferencial y 0 = na sua forma normal, pode ser
y
reescrita na sua forma diferencial xdx − ydy = 0 ou ainda na forma
x dx = y dy
Integrando cada termo independentemente, teremos:
y2
x2
+ C1 =
+ C2
2
2
e reunindo as constantes em uma constante C, teremos:
x2 − y 2 = C
e esta relação satisfaz à equação diferencial dada.
2.3
Modelos Matemáticos e Equações Diferenciais
Muitos problemas práticos, podem ser modelados pela Matemática, de
acordo com as quatro etapas abaixo (não muito bem definidas):
2.4
Crescimento Populacional: Modelo de Malthus
7
1. Construção de um modelo para descrever algum fenômeno físico;
2. Estabelecimento de um procedimento matemático adequado ao modelo físico;
3. Realização de cálculos numéricos aproximados com o uso do Modelo Matemático pré-estabelecido;
4. Comparação das quantidades numéricas obtidas através do Modelo
Matemático com aquelas que se esperava obter a partir da formulação do modelo criado para resolver o problema.
Após estas etapas, costuma-se analisar os resultados e na verificação da
adequação dos mesmos, aceita-se o modelo e na inadequação dos resultados, reformula-se o modelo, geralmente introduzindo maiores controles sobre as variáveis importantes, retirando-se os controles sobre as variáveis que não mostraram importância.
2.4
Crescimento Populacional: Modelo de Malthus
Problemas populacionais nos levam fatalmente às perguntas:
1. Qual será a população de um certo local ou meio ambiente em alguns anos?
2. Como poderemos proteger os recursos deste local ou deste meio ambiente para que não ocorra a extinção de uma ou de várias espécies?
Para apresentar uma aplicação de equações diferenciais relacionado com
este problema, consideraremos o modelo matemático mais simples para
tratar sobre o crescimento populacional de algumas espécies, conhecido
como o Modelo de Crescimento Exponencial de Malthus, que estabelece
que a taxa de variação da população em relação ao tempo, aqui denotada
dN
por
, é proporcional à população presente. Em outras palavras, se
dt
2.4
Crescimento Populacional: Modelo de Malthus
8
N = N (t) mede a população, nós temos
dN
=kN
dt
onde a taxa k é uma constante. É simples verificar que se k ≥ 0, nós
teremos crescimento e se k ≤ 0, nós teremos decaimento.
Esta equação linear tem solução
N (t) = N0 ekt
onde N0 é a população inicial, isto é N (0) = N0 . Podemos concluir o
seguinte:
1. Se k > 0, a população cresce e continua a expandir para ∞.
2. Se k < 0, a população se reduzirá e tenderá a 0, o que significa que
ocorrerá extinção da população.
Figura 1: Modelo de Malthus: Curva exponencial
O primeiro caso não é adequado e o modelo pode não funcionar bem
a longo prazo. O argumento principal para isto vem das limitações do
2.5
Crescimento Populacional: Maodelo de Verhulst
9
ambiente. A complicação é que o crescimento populacional é eventualmente limitado por algum fator, usualmente dentre aqueles recursos
essenciais. Quando uma população está muito distante de seu limite
de crescimento ela pode crescer de forma exponencial, mas quando está
próxima de seu limite o tamanho da população pode variar.
2.5 Crescimento Populacional: Maodelo de Verhulst
Existe um outro modelo proposto para remediar este problema do modelo exponencial. Ele é chamado o Modelo Logistico ou modelo de
Verhulst-Pearl. A equação diferencial para este modelo é
dN
N
=k N 1−
dt
L
onde L é o limite máximo para a população (também chamado a capacidade do ambiente).
Figura 2: Modelo de Verhulst: Curva logística
Se N = N (t) é muito pequeno quando comparado com a capacidade do
ambiente L, a expressão em parênteses é próxima de a e o modelo se
2.6
Equações homogêneas de primeira ordem
10
reduz ao modelo exponencial de Malthus. Este é um exemplo de uma
equação diferencial não linear separável. As soluções constantes são
N = 0 e N = L. As soluções não constantes podem ser obtidas pela
separação das variáveis, seguido do uso de integração com o uso da técnica das frações parciais.
Com algumas manipulações algébricas, teremos:
L C ekt
N (t) =
L + C ekt
onde C é uma constante e L é o limite do ambiente. Considerando
N (0) = N0 e assumindo que N0 não é igual a 0 nem igual a L, obteremos:
L N0
N (t) =
N0 + (L − N0 ) e−kt
Com cálculos simples de limites podemos mostrar que
lim N (t) = L
t→∞
Esta solução já diz mais que a outra, mas este modelo ainda não satisfaz
pois não nos informa quando uma população estará extinta. Mesmo que
N0 seja pequena, a população sempre tenderá para a capacidade L do
ambiente. Embora este modelo ainda possua falhas, ele é apropriado
para a análise de crescimento populacional de cidades, assim como de
populações de lactobacilos e outros.
2.6
Equações homogêneas de primeira ordem
Uma função f = f (x, y) é denominada homogênea de grau k se, para
todo t ∈ R, vale a relação
f (tx, ty) = tk f (x, y)
Uma função f = f (x, y) é homogênea de grau 0 se, para todo t ∈ R, vale
a relação
f (tx, ty) = f (x, y)
Exemplos:
2.6
Equações homogêneas de primeira ordem
11
1. A função f (x, y) = x2 + y 2 é homogênea de grau 2.
y
x2
2. g(x, y) = 2 e h(x, y) = arctan( ) são funções homogêneas de grau
y
x
0.
Uma forma simples de observar a homogeneidade de uma função polinomial é constatar que todos os monômios da função possuem o mesmo
grau. No caso de uma função racional (quociente de polinômios), os
membros do numerador devem ter um mesmo grau m e os membros do
do denominador devem também um mesmo grau n, sendo que o grau
da expressão do denominador pode ser menor ou igual que o grau da
expressão do numerador.
Uma equação diferencial de primeira ordem na forma normal y 0 = f (x, y)
é dita homogênea se f = f (x, y) é uma função homogênea de grau zero.
Exemplos de equações diferenciais homogêneas:
x2 + y 2
,
y =
xy
0
x2
y = 2,
y
0
y
y 0 = arctan( )
x
Pode-se resolver uma Equação diferencial homogênea, transformandoa em uma equação de variáveis separáveis com a substituição y(x) =
x v(x) ou de uma forma mais simples y = x v, onde v = v(x) é uma
nova função incógnita. Assim, dy = x dv + v dx e uma equação da forma
y 0 = f (x, y) pode ser transformada em uma equação separável da forma
dv
+ v = f (x, xv)
x
dx
e após simplificações obtemos uma equação com variáveis separáveis.
Exemplo: Para resolver a equação diferencial homogênea
x2 + y 2
y =
xy
tomamos y = x v, y 0 = x v 0 + v e substituímos na equação homogênea
para obter:
1 + v2
0
xv +v =
v
0
2.7
Equações Exatas de primeira ordem
12
Separando a fração, obtemos
1
+v
v
e cancelando os termos iguais, obtemos
x v0 + v =
x v0 =
Como v 0 (x) =
1
v
dv
, podemos escrever
dx
dv
1
x
=
dx v
assim
dx
x
Integrando ambos os membros, teremos:
v dv =
v 2 = 2 ln x + C
assim temos a relação
y 2 = x2 [2 ln x + C]
2.7
Equações Exatas de primeira ordem
∂M
para a derivada parcial
∂x
da função M = M (x, y) em relação à variável x. Uma equação na forma
diferencial M (x, y)dx + N (x, y)dy = 0 será exata, se existir uma função
F = F (x, y) cuja diferencial exata dF = Fx dx + Fy dy coincide com M dx +
N dy = 0, isto é:
dF = M (x, y) dx + N (x, y) dy
Na sequência, utilizaremos a notação Mx =
Exigindo algumas propriedades de diferenciabilidade das funções M e
N , temos um outro critério para a garantia que esta equação é exata.
Diremos que a equação M dx + N dy = 0 é exata se My = Nx .
Exemplos:
2.7
Equações Exatas de primeira ordem
13
1. A forma diferencial 3x2 y 2 dx + 2x3 ydy = 0 é exata pois existe uma
função diferenciável F (x, y) = x3 y 2 cuja diferencial exata coincide
com o membro da esquerda da equação dada, isto é, dF = 0. Outra
forma de verificar isto é mostrar que My = Nx = 6x2 y. Neste caso, a
solução da equação diferencial exata é dada por F (x, y) = C, isto é
x3 y 2 = C.
2. A forma diferencial xdx + ydy = 0 é exata.
3. A forma diferencial M (x)dx + N (y)dy = 0 é exata.
4. A forma diferencial ydx − xdy = 0 não é exata.
Método de resolução: Para resolver uma EDO da forma M dx + N dy = 0,
devemos verificar se esta EDO é exata e em caso positivo, garantir que
existe uma função F = F (x, y) tal que
∂F
= M (x, y)
∂x
e
∂F
= N (x, y)
∂y
Na sequência, tomamos a relação Fx = M (x, y) e integramos em relação
à variável x para obter
Z
F (x, y) =
M (x, y)dx + g(y)
onde g = g(y) é uma função apenas da variável y.
Agora, derivamos parcialmente esta última função F = F (x, y) em relação à variável y:
∂F
∂
=
∂y
∂y
Z
M (x, y)dx + g 0 (y)
e identificamos esta derivada com a função N = N (x, y), para obter a
expressão de g = g(y). A solução da EDO exata será dada por
2.7
Equações Exatas de primeira ordem
14
F (x, y) = C
Exercício: Para resolver a EDO (3x2 + 2y)dx + (2x + 2y)dy = 0, devemos
mostrar que esta EDO é exata. Identificamos então
M (x, y) = 3x2 + 2y
e
N (x, y) = 2x + 2y
e mostramos que My = 2y = Nx , para garantir que existe F = F (x, y) tal
que
∂F
= 3x2 + 2y
∂x
e
∂F
= 2x + 2y
∂y
Integramos a primeira relação com respeito à variável x para obter
Z
F (x, y) =
(3x2 + 2y)dx = x3 + 2xy + g(y)
onde g = g(y) depende apenas de y e derivamos parcialmente esta última
função F = F (x, y) com respeito a y, para obter:
∂F
∂ 3
=
(x + 2xy) + g 0 (y) = 2x + g 0 (y)
∂y
∂y
Identificamos agora esta derivada com N = N (x, y):
2x + g 0 (y) = 2x + 2y
Temos então que g 0 (y) = 2y, donde segue que g(y) = y 2 + K. Assim,
F (x, y) = x3 + 2xy + y 2 + K
e a solução da EDO exata será dada por
2.8
Teorema de Existência e Unicidade de solução de um PVI
15
x3 + 2xy + y 2 = C
2.8
Teorema de Existência e Unicidade de solução de um PVI
O teorema de existência e unicidade de solução garante que a equação
diferencial linear de primeira ordem com uma condição adicional
a0 (x) y 0 + a1 (x) y = d(x),
y(x0 ) = y0
possui uma única solução se, as funções a0 = a0 (x), a1 = a1 (x) e d = d(x)
são contínuas e a0 = a0 (x) não é identicamente nula em um intervalo
aberto real contendo o ponto x0 .
2.9
Simplificação de equações lineares de primeira ordem
Consideremos uma equação diferencial da forma
a0 (x) y 0 + a1 (x) y = b(x)
Se as condições necessárias para resolver esta equação estão satisfeitas e
a0 (x) 6= 0 para todo x ∈ Dom(a0 ), então dividimos todos os termos da
equação por a0 = a0 (x) para obter uma forma mais simples
y 0 + p(x) y = q(x)
2.10
Complementos de Análise na reta
Sobre um intervalo compacto [a, b], toda função real crescente (ou decrescente) é integrável, mas também sabemos que toda função contínua é
integrável, embora existam funções descontínuas que possuem integral.
2.10
Complementos de Análise na reta
16
Primeiro Teorema do valor médio para integrais: Se f = f (x) é uma
função limitada sobre um intervalo compacto [a, b] tal que existem m ∈ R
e M ∈ R tal que m ≤ f (x) ≤ M para todo x ∈ [a, b], então
1
m≤
b−a
b
Z
f (x)dx ≤ M
a
Segundo Teorema do valor médio para integrais: Se f = f (x) é uma
função contínua sobre um intervalo compacto [a, b], então existe t ∈ [a, b]
tal que
1
f (t) =
b−a
b
Z
f (x)dx
a
Teorema: Se f = f (x) é uma função limitada sobre [a, b] e contínua no
ponto x ∈ (a, b), então
1. a função definida por
x
Z
F (x) =
f (t)dt
a
é diferenciável e além disso
F 0 (x) = f (x)
2. a função f = f (x) é integrável sobre [a, b]
Teorema Fundamental do Cálculo: Se f = f (x) é uma função contínua
sobre [a, b] e para todo x ∈ [a, b] podemos definir a função
Z
F (x) =
x
f (t)dt
a
então, para todo x ∈ (a, b) tem-se que
2.11
Método do Fator Integrante
17
F 0 (x) = f (x)
Consequências do Teorema Fundamental do Cálculo
1. Toda função contínua tem uma primitiva.
2. Se a função G = G(x) é uma primitiva para f = f (x) então
Z
G(b) − G(a) =
x
f (t)dt
a
Esta última consequência, realiza a conexão entre integrais definida
e indefinida (primitiva) para funções reais.
Exercício: Seja p = p(x) uma função contínua e a função definida por
Z
I(x) = exp
x
p(t)dt
0
Mostrar que I 0 (x) = I(x)p(x).
2.11
Método do Fator Integrante
Um bom método geral para resolver uma equação da forma
y 0 + p(x) y = q(x)
é multiplicar todos os membros da equação por um Fator Integrante, que
é uma função I = I(x) tal que:
I(x) y 0 (x) + I(x) p(x) y(x) = I(x) q(x)
de tal modo que o termo da esquerda da nova equação seja exatamente
a derivada da função I(x)y(x), isto é:
2.11
Método do Fator Integrante
18
d
[I(x) y(x)] = I(x) y 0 (x) + I(x) p(x) y(x)
dx
mas, para que isto ocorra, devemos exigir que I = I(x) satisfaça
I(x) y 0 (x) + I 0 (x) y(x) = I(x) y 0 (x) + I(x) p(x) y(x)
assim, basta tomar
I 0 (x) y(x) = I(x) p(x) y(x)
Admitindo que y = y(x) não seja identicamente nulo, temos que:
I 0 (x) = I(x) p(x)
Desse modo, devemos primeiramente resolver esta última equação diferencial, para obter uma solução como
x
Z
I(x) = exp
p(t)dt
0
Observamos que a variável muda de integração foi alterada para evitar
erros na obtenção de tal função.
Para simplificar um pouco, tomaremos
Z
P (x) =
x
p(t)dt
0
para podermos escrever o fator integrante I = I(x), como
I(x) = exp[P (x)]
2.11
Método do Fator Integrante
19
Multiplicando os membros desta equação por I(x) = exp[P (x)], obteremos:
exp[P (x)] y 0 + p(x) exp[P (x)] y(x) = q(x) exp[P (x)]
O membro da esquerda é a derivada da função y(x) exp[P (x)] em relação
à variável x e poderemos escrever
d
(y(x) exp[P (x)]) = q(x) exp[P (x)]
dx
e realizando a integral indefinida em ambos os lados da igualdade, obteremos
Z
y(x) exp[P (x)] =
q(x) exp[P (x)] dx + C
Dessa forma, temos uma expressão para y = y(x) dada por
Z
y(x) = exp[−P (x)]
q(x) exp[P (x)]dx + C
Exemplo: Para a equação y 0 + 2xy = x, p(x) = 2x e q(x) = x, assim, a
solução depende de P (x) = x2 e
−x2
y(x) = e
Z
x2
e xdx + C
logo
2
y(x) = e−x
1
1 x2
2
e + C = + C e−x
2
2
2.12
2.12
Equações não lineares de primeira ordem redutíveis a lineares
20
Equações não lineares de primeira ordem redutíveis a lineares
Resolver equações diferenciais não lineares é muito difícil, mas existem
algumas delas que mesmo sendo não lineares, podem ser transformadas
em equações lineares. Os principais tipos de tais equações são:
1. A Equação de Bernoulli da forma
y 0 + ϕ(x) y = ψ(x) y n
(1)
onde ϕ = ϕ(x) e ψ = ψ(x) são funções contínuas.
Nesse caso, a idéia é realizar uma substituição na equação acima, de
modo a transformá-la em uma EDO linear.
Primeiramente dividimos ambos os membros da equação (1) por y n ,
para obter:
y −n y 0 + ϕ(x) y 1−n = ψ(x)
(2)
Multiplicamos agora a equação (2) por (1 − n), para obter
(1 − n) y −n y 0 + (1 − n) ϕ(x) y 1−n = (1 − n) ψ(x)
Tomando z = y 1−n e derivando em relação a x, obtemos:
z 0 = (1 − n) y −n y 0
Substituindo as expressões de z e z 0 em (3), obtemos:
z 0 + (1 − n) ϕ(x) z = (1 − n) ψ(x)
que é uma EDO linear da forma
z 0 + p(x) z = q(x)
onde p(x) = (1 − n) ϕ(x) e q(x) = (1 − n) ψ(x).
(3)
2.12
Equações não lineares de primeira ordem redutíveis a lineares
21
A solução dessa EDO será escrita como
Z
x
Z
z(x) = exp(−
p(u)du)
Z
x
q(x) exp(
0
p(u)du) dx + K
0
1
Ao final, devemos voltar à variável original, com y = z 1−n .
Exemplo: Para a EDO de Bernoulli y 0 + y = ex y 2 , segue que n = 2
e a substituição adequada é z = y 1−2 = y −1 . Assim y = 1/z e temos
que y 0 = (−1) z −2 z 0 . Substituindo estas relações na EDO dada,
obteremos
(−1) z −2 z 0 + z −1 = ex z −2
Multiplicando esta equação por −z 2 , obteremos a EDO linear:
z 0 − z = −ex
Com p(x) = −1 e q(x) = −ex , obtemos a solução desta EDO:
−
z(x) = e
Rx
(−1)du
0
Z
x
Rx
−e [e
(−1)du
0
]dx + K
ou seja:
x
Z
z(x) = e
x
−x
−e e dx + K
que pode ser simplificada como:
z(x) = ex (K − x)
A solução da EDO de Bernoulli é:
y(x) =
1
ex (K − x)
2.12
Equações não lineares de primeira ordem redutíveis a lineares
22
2. A Equação de Riccati da forma
y 0 = p(x) + q(x) y + r(x) y 2
que é uma EDO não linear. Um fato grave aqui é que, não será possível resolver tal equação se não pudermos apresentar uma solução
particular para a mesma.
Consideremos yp = yp (x) uma solução particular de
y 0 = p(x) + q(x) y + r(x) y 2
Assim, vamos construir uma nova função z = z(x) definida por
z=
1
y − yp
Com alguns cálculos simples, obtemos:
z 0 + [q(x) + 2yp r(x)] z = r(x)
que é uma equação linear na variável z. Após resolvida esta última,
voltamos à variável original y = y(x) através da relação
y = yp +
1
z
Exemplo: Para resolver a equação de Riccati y 0 = −2 − y + y 2 , tomaremos
y(x) = 2 como uma solução particular da equação dada e realizaremos
z0
1
e y 0 = − 2 para obter a equação linear em z:
as substituições z =
y−2
z
z 0 + 3z = −1
cuja solução é:
2.12
Equações não lineares de primeira ordem redutíveis a lineares
23
1
z(x) = − + C e−3x
3
e com poucos cálculos podemos voltar à variável y para obter a solução
procurada.
Pergunta: Você conheceria uma outra solução particular para esta equação de Riccati?
Exercício: Para resolver a EDO não linear 2 x y y 0 + (x − 1) y 2 = x2 ex
poderemos usar a substituição y 2 = xz, onde z = z(x). Derivando em
relação à variável x, obteremos 2yy 0 = z + xz 0 , logo 2xyy 0 = xz + x2 z 0 e a
EDO ficará na forma
xz + x2 z 0 + (x − 1) xz = x2 ex
que poderá ser escrita na forma simples
z 0 + z = ex
cuja solução é
1
z(x) = Ce−x + ex
2
e substituir em y 2 = xz. Dessa forma, obteremos
1
y 2 (x) = x[Ce−x + ex ]
2
e assim podemos explicitar y = y(x) para obter a solução da EDO dada.
Seção 3 Equações diferenciais ordinárias de segunda ordem
3
24
Equações diferenciais ordinárias de segunda ordem
3.1 Equações lineares de segunda ordem
Uma equação diferencial ordinária linear de segunda ordem é uma equação da forma
a(x) y 00 + b(x) y 0 + c(x) y = d(x)
onde a = a(x), b = b(x), c = c(x) e d = d(x) são funções conhecidas
somente da variável independente x.
Exemplos de equações diferenciais lineares de segunda ordem:
x2 y 00 + sin(x) y 0 + ex y = u(x)
e
y 00 − 7y 0 + 12y = cos(x)
3.2 Equações Lineares homogêneas de segunda ordem
Para equações lineares de segunda ordem, se d = d(x) é diferente de
zero, a equação linear será dita não homogênea e se d = d(x) = 0 a
equação linear será dita homogênea. Muito cuidado aqui, pois mudamos
a definição de equação homogênea!
Exemplos: As equações diferenciais ordinárias x2 y 00 + sin(x)y 0 + ex y = 0
e y 00 − 7y 0 + 12y = 0 são lineares e homogêneas.
Observação: Não confundir a palavra homogênea empregada aqui com
a homônima usada no estudo de equações diferenciais homogêneas de
primeira ordem relacionada com funções homogêneas de grau zero.
3.3 Teorema de Existência e Unicidade de solução de um PVI
O teorema de existência e unicidade de solução garante que a equação
diferencial linear de segunda ordem com duas condições adicionais da-
3.4
Equações Lineares de 2a. ordem com coeficientes constantes
25
das abaixo:
a(x) y 00 + b(x) y 0 + c(x) y = d(x)
y(x0 ) = y0
y 0 (x0 ) = y1
possui uma única solução, desde que as funções a = a(x), b = b(x),
c = c(x) e d = d(x) sejam contínuas e a = a(x) seja não identicamente
nula num intervalo real que contenha o ponto x0 .
3.4 Equações Lineares de 2a. ordem com coeficientes constantes
Como toda função constante real é contínua, então, dentre as equações
diferenciais lineares, existe um grupo de equações muito importante que
é formado pelas equações cujas funções coeficientes de y, y 0 e y 00 são constantes e neste caso, escrevemos simplesmente:
L(y) ≡ a y 00 + b y 0 + c y = d(x)
Para resolver este tipo de equação linear não homogênea:
1. Devemos obter a solução geral yh = yh (x) da equação linear homogênea associada
L(y) ≡ a y 00 + b y 0 + c y = 0
Assim, devemos ter que L(yh ) = 0.
2. Por algum processo matemático, obter uma solução particular yp =
yp (x) para a equação original, o que significa que L(yp ) = d(x).
3. A solução geral y = y(x) para a EDO dada será, a soma da solução
geral da equação homogênea associada, obtida em (1) com a solução
particular obtida em (2), isto é:
y(x) = yh (x) + yp (x)
Com esta forma, temos que
L(y) = L(yh + yp ) = L(yh ) + L(yp ) = d(x)
3.5
Solução da equação homogênea associada
26
3.5 Solução da equação homogênea associada
Para resolver a equação homogênea com coeficientes constantes, devemos obter a equação característica associada à mesma, dada por:
a r2 + b r + c = 0
Obter as raízes da equação característica equivale a obter os autovalores
do operador diferencial linear:
L = a D2 + b D + c I
Como a equação característica é uma equação do segundo grau, ela possui exatamente duas raízes no conjunto dos números complexos.
Detalhando um pouco mais, observamos que quando os valores de a, b e
c são reais, existem três possibilidades para a obtenção das raízes:
1. Duas raízes reais e distintas: Se r e s são raízes reais e distintas as
duas autofunções (autovetores) associadas a estes autovalores em
relação ao operador L, formam o conjunto:
{erx , esx }
2. Duas raízes reais e iguais: Se r é um autovalor real (multiplicidade
2), as duas autofunções (autovetores) associadas a estes autovalores
em relação ao operador L, formam o conjunto:
{erx , xerx }
3. Duas raízes complexas conjugadas: Se r e s são raízes complexos
conjugadas, digamos r = a + ib e s = a − ib, as duas autofunções
(autovetores) associadas a estes autovalores em relação ao operador
L, formam o conjunto:
{eax cos(bx), eax sin(bx)}
3.6
Método de d’Alembert para obter outra solução
27
É possível demonstrar que, o conjunto formado por qualquer um dos pares de funções apresentados nos três casos é linearmente independente
(LI) no espaço vetorial de todas as funções reais sobre o corpo dos números reais. Mais importante ainda é que, toda combinação linear destas
funções também será solução da equação diferencial linear:
a y 00 + b y 0 + c y = 0
Se {y1 , y2 } é qualquer um dos conjuntos acima citados, a solução geral da
equação diferencial linear homogênea de segunda ordem será dada por:
y = c1 y 1 + c2 y2
3.6 Método de d’Alembert para obter outra solução
Dada uma EDO linear homogênea de segunda ordem da forma:
L(y) = a(x) y 00 + b(x) y 0 + c(x) y = 0
e uma solução conhecida y1 = y1 (x), o método de d’Alembert, proporciona uma forma de construir uma segunda solução y2 = y2 (x) para esta
equação de modo que o conjunto {y1 , y2 } das soluções de L(y) = 0 seja
LI.
O método consiste em construir a segunda função y2 = y2 (x) através da
multiplicação da solução conhecida y1 = y1 (x) por uma função incógnita v = v(x) que será a solução de uma equação que aparecerá quando
substituirmos y2 = y2 (x) na EDOL dada, aceitando que L(y1 ) = 0, isto é:
y2 (x) = v(x) y1 (x)
Ao invés de trabalhar com a teoria, mostraremos o funcionamento do
método com dois exemplos.
Exemplo 1: Para usar o método de d’Alembert para resolver a equação
x2 y 00 − 4xy 0 + 6y = 0
3.6
Método de d’Alembert para obter outra solução
28
assumiremos que a função y1 (x) = x2 seja uma solução (Isto é fácil de
verificar). Tomando
y2 (x) = v(x) x2
obtemos
y2 0 (x) = v 0 (x) x2 + 2x v(x)
e
y2 00 (x) = v 00 (x) x2 + 4x v 0 (x) + 2v(x)
o que significa que
x4 v 00 (x) = 0
ou seja
v 00 (x) = 0
Esta última EDO, tem solução geral
v(x) = ax + b
e como estamos procurando apenas uma função simples (que pode ser
um caso particular) com esta propriedade, mas que não seja identicamente nula, tomaremos a = 1 e b = 0 e assim
v(x) = x
e a nossa segunda solução será
y2 (x) = x x2 = x3
A solução geral da EDO dada será
y(x) = C1 x2 + C2 x3 = x2 [C1 + C2 x]
Exemplo 2: Com o método de d’Alembert, resolveremos a equação
t2 y 00 + 3t y 0 + y = 0
assumindo que y1 (t) =
1
seja uma solução (Verifique isto!). Tomaremos
t
1
y(t) = v(t)
t
3.7
Equação eqüidimensional de Euler-Cauchy
29
para obter
y 0 (t) =
1 0
1
v (t) − 2 v(t)
t
t
e
1
1
[t v 00 (t) − 2v 0 (t) + 2 v(t)]
2
t
t
Substituindo estas derivadas, bem como a função y = y(t) na EDO com
coeficientes variáveis teremos:
y 00 (t) =
t v 00 (t) + v 0 (t) = 0
e tomando v 0 (t) = p(t), teremos a EDO linear de primeira ordem
t p0 (t) + p(t) = 0
cuja solução geral é
K
t
Voltando à variável introduzida anteriormente, teremos
p(t) =
v 0 (t) =
K
t
cuja solução é:
v(t) = C + D ln t
e voltando à função tomada inicialmente, com C = 0 e D = 1:
y2 (x) =
1
ln t
t
e a solução geral da EDO dada será
1
y(x) = [C1 + C2 ln t]
t
3.7
Equação eqüidimensional de Euler-Cauchy
Uma equação eqüidimensional de Euler (Cauchy) é uma equação diferencial ordinária (EDO) linear da forma
an xn y (n) + an−1 xn−1 y (n−1) + ... + a1 x y 0 + a0 y = g(x)
3.7
Equação eqüidimensional de Euler-Cauchy
30
onde n é um número natural que fornece a ordem da equação com an 6=
0, os ak são números reais para k = 0, 1, 2, ..., n e a função g = g(x) é
contínua sobre um intervalo aberto real.
A importância da equação de Euler ocorre quando estamos procurando
obter soluções u = u(x, y) para a equação diferencial parcial de Laplace
de segunda ordem sobre uma região circular
∂ 2 u(x, y) ∂ 2 u(x, y)
+
=0
∂x2
∂y 2
Acontece que o estudo desta equação no círculo fica complicado com
o uso de coordenadas retangulares (x, y), mas se realizarmos uma mudança de variáveis para coordenadas polares (r, θ), definidas por
x = r cos(θ),
y = r sin(θ)
obteremos a equação de Laplace em coordenadas polares
∂ 2 u(r, θ) 1 ∂u(r, θ)
1 ∂ 2 u(r, θ)
+
+ 2
=0
∂r2
r ∂r
r
∂θ2
e deveremos procurar soluções da forma u = u(r, θ).
Para resolver esta última equação, usaremos o método de separação das
variáveis que adota u(r, θ) = R(r) T (θ) para obter uma outra equação
1 dR(r)
1
d2 T (θ)
d2 R(r)
T
(θ)
+
T
(θ)
+
R(r)
=0
dr2
r dr
r2
dθ2
que pode ser separada em duas partes
r2 R00 (r) + rR0 (r) −T 00 (θ
≡
R(r)
T (θ)
sendo que a primeira só contém a variável r e a segunda só contém a
variável θ. É fácil mostrar que ambas as expressões devem coincidir com
uma constante, digamos λ, assim poderemos escrever
−T 00 (θ
r2 R00 (r) + rR0 (r)
=λ=
R(r)
T (θ)
3.7
Equação eqüidimensional de Euler-Cauchy
31
A primeira igualdade conduz a uma equação de Euler:
r2 R00 (r) + rR0 (r) − λR(r) = 0
Na sequência, mostraremos como resolver equações de Euler homogêneas. Para as equações de Euler não homogêneas, devemos usar o método da variação dos parâmetros.
Para resolver uma equação de Euler da forma
an xn y (n) + an−1 xn−1 y (n−1) + ... + a1 x y 0 + a0 y = 0
procuraremos obter números r reais ou complexos de modo que a função
y = y(x) = xr
seja solução da EDO linear dada.
Uma outra forma alternativa (que não será usada neste trabalho) é considerar a mudança de variável x = et para transformar a EDO de Euler
em uma EDO linear com coeficientes constantes.
Assim, obteremos n soluções LI para a EDO linear dada. Dessa forma
y 0 = rxr−1
y 00 = r(r − 1)xr−2
e em geral
y (k) = A(r, k) xr−k
onde A(r, k) é o arranjo de r elementos tomados k a k, definido por:
A(r, k) = r(r − 1)(r − 2)...(r − k + 1)
Para facilitar os nossos trabalhos, consideraremos o caso geral de uma
equação de Euler de ordem n = 2, isto é:
a x2 y 00 + b x y 0 + c y = 0
Substituindo a função y(x) = xr como as suas derivadas, obteremos:
xr [ar(r − 1) + br + c] = 0
3.7
Equação eqüidimensional de Euler-Cauchy
32
Como procuramos soluções LI, devemos obter valores de r que satisfazem à equação indicial
a r(r − 1) + b r + c = 0
que simplificada, pode ser escrita na forma
a r2 + (b − a) r + c = 0
Como esta equação indicial é do segundo grau, temos três possibilidades:
1. Duas raízes reais e distintas: Neste caso
y1 (x) = xr
e
y2 (x) = xs
logo a solução da homogênea será:
y(x) = C1 xr + C2 xs
Exemplo: Para a equação de Euler
L(y) = x2 y 00 − 2x y 0 + 2y = 0
a equação indicial associada é:
r2 − 3r + 2 = 0
cujas raízes são r=1 e r=2, garantindo que o conjunto {x1 , x2 } é LI,
logo a solução geral será dada por
y(x) = C1 x + C2 x2
2. Duas raízes reais e iguais: Aqui, uma solução terá a forma
y1 (x) = xr
e a segunda será obtida pela multiplicação por ln x, isto é:
y2 (x) = xr ln x
3.7
Equação eqüidimensional de Euler-Cauchy
33
logo, a solução da homogênea de Euler, será
y(x) = C1 xr + C2 xr ln x = xr [C1 + C2 ln x]
Exemplo: Seja a equação de Euler
L(y) = x2 y 00 − 3x y 0 + 4y = 0
Quando tomamos
y(x) = xr
podemos escrever
L(xr ) = (r2 − 4r + 4) xr
e desse modo, a equação indicial associada
r2 − 4r + 4 = (r − 2)2 = 0
possui uma raíz dupla r = 2. Uma primeira solução será
y1 (x) = x2
e uma segunda solução terá a forma
y2 (x) = y1 (x) ln(x) = x2 ln x
Retomaremos a expressão já obtida anteriormente e realizaremos
um detalhamento para justificar esta multiplicação por ln x.
Aplicando o operador diferencial linear L à função xr , obteremos
L(xr ) = (r − 2)2 xr
Aplicando agora, sobre o resultado anterior, o operador diferencial
linear Dr para a derivada da função em relação à variável r, teremos:
Dr L(xr ) = Dr [(r − 2)2 xr ]
Como os operadores diferenciais Dr e L comutam, então podemos
reescrever esta última expressão como
LDr (xr ) = Dr [(r − 2)2 xr ]
3.7
Equação eqüidimensional de Euler-Cauchy
34
Como estamos realizando a derivada em relação à variável r, nosso
trabalho será um pouco maior e neste caso
Dr (xr ) = Dr [er ln x] = ln xDr [er ln x] = xr ln x
o que garante que
L[ln x xr ] = 2(r − 2) xr + (r − 2)2 xr ln x
Neste caso, o autovalor é r = 2, assim substituindo r = 2 na última
expressão, obteremos
L[x2 ln x] = 0
Como o operador L aplicado a esta função fornece um resultado
nulo, significa que esta é uma outra solução para a equação de Euler,
assim, justificamos a razão pela qual devemos multiplicar a solução
anterior por ln x, isto é
y2 (x) = x2 ln x
Como o conjunto formado pelas funções {y1 , y2 } é linearmente independente, podemos escrever a solução geral como:
y(x) = C1 x2 + C2 x2 ln x = x2 [C1 + C2 ln x]
Exemplo: Para a equação de Euler de terceira ordem
x3 y (3) + 6x2 y 00 + 7x y 0 + y = 0
tomaremos y(x) = xr para obter
xr (r3 + 3r2 + 3r + 1) = 0
A equação indicial (característica) é
r3 + 3r2 + 3r + 1 = 0
que tem a raiz tripla r = −1, garantindo uma primeira solução
y1 (x) = x−1 =
1
x
3.7
Equação eqüidimensional de Euler-Cauchy
35
De forma similar ao exemplo acima, multiplicamos y1 por ln x para
obter
1
y2 (x) = ln x
x
e multiplicamos y2 por ln x para obter:
y3 (x) =
1
(ln x)2
x
e a solução geral desta equação de Euler será
y(x) =
1
[C1 + C2 ln x + C3 (ln x)2 ]
x
3. Duas raízes complexas conjugadas
Se as raízes são dadas por:
r1 = a + bi,
r2 = a − bi
poderíamos tentar usar as funções complexas, como:
y1 (x) = xa+bi ,
y2 (x) = xa−bi
mas isto nem sempre é adequado, pois estamos procurando funções
reais válidas para x > 0. Trabalharemos então com as partes real e
imaginária do número complexo r = a + bi para obter a solução da
equação de Euler. Usaremos então
y(x) = xa+bi = xa xbi = xa exp(i b ln x)
e pela relação de Euler
y(x) = xa [cos(b ln x) + i sin(b ln x)]
ou seja
y(x) = [xa cos(b ln x)] + i[xa sin(b ln x)]
Desse modo, tomamos as partes real e imaginária desta última função como sendo as soluções LI procuradas, que são as funções reais:
y1 (x) = xa cos(b ln x),
y2 (x) = xa sin(b ln x)
3.8
Método dos Coeficientes a Determinar
36
e a solução geral da equação de Euler homogênea será
y(x) = C1 xa cos(b ln x) + C2 xa sin(b ln x)
ou seja
y(x) = xa [C1 cos(b ln x) + C2 sin(b ln x)]
Exemplo: Para a equação de Euler
L(y) = x2 y 00 + x y 0 + 4y = 0
a equação indicial associada é
r2 + 4 = 0
cujas raízes são r1 = 2i = 0 + 2i e r2 = −2i = 0 − 2i, logo
y1 (x) = x0 cos(ln x2 ) = cos(2 ln x)
y2 (x) = x0 sin(ln x2 ) = sin(2 ln x)
e a solução geral da EDO linear homogênea associada será
y(x) = C1 cos(2 ln x) + C2 sin(2 ln x)
3.8
Método dos Coeficientes a Determinar
O método dos coeficientes a determinar fornece uma solução particular
para uma equação linear não homogênea
a y 00 + b y 0 + c y = d(x)
Se conhecemos a função d = d(x), nosso objetivo será obter uma solução
particular yp = yp (x) que possa ser escrita como combinação linear de um
conjunto linearmente independente de funções. O problema fica mais
fácil quando esta função d = d(x) tem alguma das formas abaixo.
1. Polinômio de grau n na variável independente
A solução procurada deverá estar na forma:
yp (x) = an xn + an−1 xn−1 + ... + a2 x2 + a1 x + a0
3.8
Método dos Coeficientes a Determinar
37
2. Múltiplo de uma função exponencial
A solução procurada deverá estar na forma:
yp (x) = k erx
3. Combinação linear das funções cos(kx) e sin(kx)
Solução procurada na forma:
yp (x) = A cos(kx) + B sin(kx)
4. Soma das formas anteriores
A solução procurada deverá estar na forma:
yp (x) = y1 (x) + y2 (x)
onde y1 = y1 (x) é a solução obtida na primeira forma e y2 = y2 (x) é
a solução obtida na segunda forma.
5. Produto das formas anteriores
A solução procurada deverá estar na forma:
yp (x) = y1 (x) y2 (x)
onde y1 = y1 (x) é a solução obtida na primeira forma e y2 = y2 (x) é
a solução obtida na segunda forma.
Observação importantíssima: Se as funções sugeridas já apareceram na
solução geral da equação homogênea associada, então a sugestão para
a nova função deverá ser a mesma função sugerida, multiplicada por
x. Caso a função não sirva, multiplique por x2 e se ocorrer falha, vá
aumentando o expoente de x.
Exemplos: Consideremos o operador diferencial linear L com coeficien-
3.9
Método da Variação dos Parâmetros (Lagrange)
38
tes constantes e uma equação diferencial linear L(y) = d(x).
L(y) = d(x)
L(y) = 3x2
L(y) = 7e3x
L(y) = 17 cos(3x)
L(y) = 7 sin(2x)
L(y) = 7 sin(2x) + 8 cos(2x)
L(y) = 3e5x + (x2 + 7x + 3)
L(y) = 3e5x (x2 + 7x + 3)
L(y) = 3e5x sin(2x)
Forma da solução procurada
y(x) = a x2 + b x + c
y(x) = a e3x
y(x) = a cos(3x) + b sin(3x)
y(x) = a cos(2x) + b sin(2x)
y(x) = a cos(2x) + b sin(2x)
y(x) = a e5x + [b x2 + c x + d]
y(x) = e5x [a x2 + b x + c]
y(x) = e5x [a cos(2x) + b sin(2x)]
A equação L(y) = 7 sin(3x) + 8 cos(2x) exige algo da forma
y(x) = a cos(3x) + b sin(3x) + c cos(2x) + d sin(2x)
3.9 Método da Variação dos Parâmetros (Lagrange)
O método da Variação dos Parâmetros é muito mais poderoso que o método dos coeficientes a determinar, para a obtenção de uma solução particular de uma equação diferencial ordinária linear da forma
a y 00 + b y 0 + c y = d(x)
uma vez que resolve equações com coeficientes variáveis. O processo
leva em consideração a solução obtida a partir da equação linear homogênea associada e trata a constante obtida como uma possível função do
parâmetro x.
Sequencialmente, mostraremos como funciona o método para equações
diferenciais lineares de primeira, segunda e terceira ordem.
1. Funcionamento do método para uma EDO de primeira ordem
Mesmo sabendo que existe uma forma mais fácil para resolver o
problema, consideraremos a equação y 0 − 2y = 5. A equação homogênea associada é
y 0 − 2y = 0
3.9
Método da Variação dos Parâmetros (Lagrange)
39
cuja solução geral é
y(x) = A e2x
Com a suposição que A seja uma função de x, isto é que A = A(x) e
procuraremos descobrir (pelo menos) uma tal função para que
y(x) = A(x) e2x
seja uma solução particular da equação original dada.
Para que isto ocorra, devemos realizar a derivada para escrever:
y 0 (x) = A0 (x) e2x + 2 A(x) e2x
Substituindo esta última expressão na equação dada, teremos:
A0 (x) e2x + 2A(x) e2x − 2 A(x) e2x = 5
Simplificando esta última equação, chegaremos a:
A0 (x) = 5 e−2x
que por integração nos garante que:
5
A(x) = − e−2x
2
logo, a solução particular será:
5
5
y(x) = A(x) e2x = − e−2x e2x = −
2
2
Dessa forma, a solução geral da equação y 0 − 2y = 5 é:
y(x) = C e−2x −
5
2
2. Funcionamento do método para uma EDO de segunda ordem
Seja a equação diferencial de segunda ordem L(y) = d(x), sendo que
a solução de L(y) = 0 será dada por:
y(x) = A y1 (x) + B y2 (x)
onde A e B são constantes reais.
3.9
Método da Variação dos Parâmetros (Lagrange)
40
O método consiste em supor que A e B possam variar com a variável
independente x, isto é, que A = A(x) e B = B(x) de tal forma que
y(x) = A(x) y1 (x) + B(x) y2 (x)
seja uma solução da equação original e a partir daí, deverá ser imposta uma condição de nulidade para a expressão:
A0 (x) y1 (x) + B 0 (x) y2 (x) = 0
que juntamente com a equação diferencial dada, força que:
A0 (x) y1 0 (x) + B 0 (x) y2 0 (x) = d(x)
A partir daí, monta-se um sistema de equações, que será escrito sem
as variáveis (para ficar mais fácil), mas deve ficar claro que todas as
funções envolvidas dependerão de x:
A0 (x) y1 + B 0 (x) y2 = 0
A0 (x) y1 0 + B 0 (x) y2 0 = d(x)
Pela regra de Cramer podemos obter A0 = A0 (x) e B 0 = B 0 (x) e
o passo seguinte é integrar estas funções para obter A = A(x) e
B = B(x) e finalmente obter uma solução particular para a equação
original dada.
3. Funcionamento do método para uma EDO de terceira ordem
Seja uma equação diferencial linear de terceira ordem L(y) = d(x),
com a solução de L(y) = 0 dada por:
y(x) = A y1 (x) + B y2 (x) + C y3 (x)
sendo A, B e C constantes reais.
O método faz a suposição que A, B e C possam variar com a variável
independente x, isto é que A = A(x), B = B(x) e C = C(x) de modo
que
y(x) = A(x) y1 (x) + B(x) y2 (x) + C(x) y3 (x)
3.9
Método da Variação dos Parâmetros (Lagrange)
41
seja uma solução da equação original e a partir daí, devem ser impostas duas condições de nulidade:
A0 (x) y1 + B 0 (x) y2 + C 0 (x) y3 = 0
A0 (x) y1 0 + B 0 (x) y2 0 + C 0 (x) y3 0 = 0
que juntamente com a equação diferencial, força que:
A0 (x) y1 00 + B 0 (x) y2 00 + C 0 (x) y3 00 = d(x)
A partir daí, monta-se um sistema com 3 equações:
A0 (x) y1 + B 0 (x) y2 + C 0 (x) y3 = 0
A0 (x) y1 0 + B 0 (x) y2 0 + C 0 (x) y3 0 = 0
A0 (x) y1 00 + B 0 (x) y2 00 + C 0 (x) y3 00 = d(x)
Pela regra de Cramer, obtemos A0 = A0 (x), B 0 = B 0 (x) e C 0 = C 0 (x)
e o passo seguinte deve ser integrar estas funções para obter A =
A(x), B = B(x) e C = C(x) para finalmente obter uma solução
particular para a equação original dada.
Exemplo: Para a equação diferencial y 00 + 4y = sin(x), a solução da equação homogênea associada é
y(x) = A cos(2x) + B sin(2x)
Montamos então o sistema:
A0 (x) cos(2x) + B 0 (x) sin(2x) = 0
−2A0 (x) sin(2x) + 2B 0 (x) cos(2x) = sin(x)
Usando a regra de Cramer, obtemos A0 e B 0
1
A0 (x) = − sin(2x) sin(x)
2
1
B 0 (x) =
cos(2x) sin(x)
2
Seção 4 Redução da ordem de uma equação diferencial
42
Integrando A0 e B 0 sem a necessidade de acrescentar a constante de integração porque estamos procurando por apenas uma solução, obtemos as funções A = A(x) e B = B(x).
Exemplo: A equação y 000 = x10 é tal que a solução da equação homogênea
associada pode ser escrita como:
y(x) = A 1 + B x + C x2
Vamos montar o sistema:
A0 (x) + B 0 (x) x + C 0 (x) x2 = 0
B 0 (x) + 2C 0 (x) x = 0
2C 0 (x) = x10
Dessa forma:
C(x) =
1 11
x
22
Como B 0 (x) = −x11 , então
B(x) = −
1 12
x
12
A função A = A(x) é fácil de obter e finalmente obtemos a solução.
4 Redução da ordem de uma equação diferencial
Na sequência, apresentaremos alguns tipos especiais de equações diferenciais e algumas formas para obter as respectivas soluções por redução
a outras formas mais simples.
4.1
Equação do tipo y (n) = f (x)
A solução será obtida por n integrais sucessivas da função f = f (x).
4.2
Equação que não tem o termo em y
43
Exemplo: Para a EDO y 000 = 2x + 7, realiamos a primeira integral reduzindo a ordem para
y 00 = x2 + 7x + C1
Na sequência, tomamos duas outras integrais, para obter
y(x) =
4.2
1 4
7 3
x +
x + A x2 + B x + C
12
12
Equação que não tem o termo em y
Exemplo: Para a EDO x y 00 + y 0 = 0, tomamos p(x) = y 0 (x), para obter
uma EDO com a ordem uma unidade a menos na variável dependente p
e na variável independente x
x p0 + p = 0
e a solução desta equação é
K
x
Como p(x) = y 0 (x), basta resolver a equação
p(x) =
y 0 (x) =
K
x
para obter
y(x) = A + B ln x
4.3
Equação que não tem os termos em y e em y 0
Exemplo: Para a EDO x y 000 + y 00 = 0, tomamos p(x) = y 00 (x), para obter
uma EDO com a ordem duas unidades a menos
x p0 + p = 0
Como p(x) = y 00 (x) e já vimos que p(x) = K/x, basta resolver a EDO
y 00 (x) =
K
x
4.4
Equação que não tem os termos em y, y 0 e y 00
44
4.4 Equação que não tem os termos em y, y 0 e y 00
Exemplo: Se x y (4) − y (3) = 0, tomamos p(x) = y (3) (x), para construir uma
EDO com a ordem três unidades a menos
x p0 − p = 0
Como p(x) = y 000 (x) e p(x) = K/x, basta resolver a EDO
K
y 000 =
x
4.5
Equação que não tem y, y 0 , y 00 , ... , y (k−1)
Neste caso, tomaremos
p = y (k) ,
p0 = y (k+1) ,
p00 = y k+2 ,
...,
p(n−2) = y (n)
e reduziremos a EDO dada a uma outra EDO de ordem n − k na variável
dependente p e na variável índependente x.
4.6
Equação que não tem a variável independente x
Tomamos p = y 0 para reduzir a ordem em uma unidade e observar que
em virtude da falta da variável x, podemos pensar que p depende de y
que por sua vez depende de x, isto é, p = p(y(x)) e usando a regra da
cadeia, obteremos:
dy
y0 =
= p(y)
dx
d[p(y)] dp dy
=
= p0 (y) y 0 (x) = p0 (y) p(y)
y 00 =
dx
dy dx
00
d[p0 (y)p(y)] 0
d[y ] d[y 00 ] dy
=
=
y (x) = p2 p00 (y) + p [p0 (y)]2
y 000 =
dx
dy dx
dy
Exemplo: Para y 00 + (y 0 )2 = 2e−y , tomaremos y 0 = p(y) e y 00 = p(y) p0 (y),
para obter:
p(y) p0 (y) + p2 = 2e−y
4.7
EDO F (y, y 0 , ..., y (n) ) = 0, F homogênea só nas variáveis y (k)
45
Usaremos a substituição z(y) = p2 (y) para obter
2 p(y) p0 (y) =
dz
dy
para garantir que:
dz
+ 2z(y) = 4e−y
dy
Como esta é uma EDO linear, devemos resolvê-la e voltar às variáveis
originais.
4.7
EDO F (y, y 0 , ..., y (n) ) = 0, F homogênea só nas variáveis y (k)
Devemos observar com cuidado que a função F = F (y, y 0 , ...y (n) ) deve
ser homogênea apenas nas variáveis y, y 0 , ..., y (n) , sendo que a variável x
não deve ser considerada nesta análise.
Reduzimos a ordem da EDO com a substituição
Z x
y(x) = exp(
z(u)du)
0
onde z = z(x) é uma função a ser determinada. O Teorema do Valor
Médio para integrais garante que a derivada em relação à variável x em
ambos os termos dessa última igualdade nos fornece uma expressão que
será usada na sequência:
y 0 (x) = z(x) y(x)
Exemplo: Para a EDO x2 y y 00 − (y − xy 0 )2 = 0, a função
F (y, y 0 , y 00 ) = x2 y y 00 − (y − xy 0 )2
é homogênea de grau 2 nas variáveis y, y 0 e y 00 .
Tomando
Z
y(x) = exp(
0
x
z(u)du)
Seção 5 Aplicações de equações diferenciais ordinárias
46
obtemos
y0 = z y
e além disso
y 00 = (z 0 + z 2 ) y
Substituindo as novas variáveis na EDO dada e simplificando, obtemos:
x2 (z 0 + z 2 ) − (1 − xz)2 = 0
que pode ser reescrita na forma:
x2 z 0 + 2 x z = 1
Após resolvermos esta última equação, voltamos às variáveis originais.
5
Aplicações de equações diferenciais ordinárias
5.1 Decaimento Radioativo
Fatos experimentais mostram que materiais radioativos desintegram a
uma taxa proporcional à quantidade presente do material.
Se Q = Q(t) é a quantidade presente de um certo material radioativo no
instante t, então a taxa de variação de Q(t) com respeito ao tempo t, aqui
dQ
denotada por
, é dada por:
dt
dQ
= k Q(t)
dt
onde k é uma constante negativa bem definida do ponto de vista físico.
Para o Carbono 14 a constante é k = −1, 244 E-4 e para o caso do Rádio a
constante é k = −1, 4 E-11.
Normalmente consideramos Q(0) = Q0 a quantidade inicial do material
radioativo considerado. Quando não conhecemos o material radioativo,
devemos determinar o valor da constante k, o que pode ser feito através
da característica de “meia-vida” do material.
5.1
Decaimento Radioativo
47
A “meia-vida” é o tempo necessário para desintegrar a metade do material. Portanto, se nós conhecemos a meia-vida do material, podemos
obter a constante k e vice-versa. Em livros de Química podemos obter as
“meias-vidas” de vários materiais radioativos.
Por exemplo, a meia-vida do Carbono-14 está na faixa entre 5538 anos e
5598 anos, numa média de 5568 anos com um erro para mais ou para menos de 30 anos. O Carbono-14 é uma importante ferramenta em Pesquisa
Arqueológica conhecida como teste do radiocarbono.
Problema: Um isótopo radioativo tem uma “meia-vida” de 16 dias. Você
deseja ter 30 g no final de 30 dias. Com quanto radioisótopo você deve
começar?
Solução: Desde que a “meia-vida” está dada em dias, nós mediremos
o tempo em dias. Seja Q = Q(t) a quantidade presente no instante t
e Q(0) = Q0 a quantidade inicial. Sabemos que r é uma constante e
usaremos a “meia-vida” 16 dias para obter a constante k.
Como
Q(t) = Q0 ekt
então, para t = 16 teremos Q(16) = 12 Q0 , logo
1
Q0 = Q0 e16k
2
assim
1
2
Aplicando o logaritmo natural em ambos os membros da igualdade, obtemos:
ln 2
k=−
= −0, 043321698785
16
e dessa forma temos a função que determina a quantidade de material
radioativo a qualquer momento:
e16k =
Q(t) = Q0 e0, 043321698785t
5.2
Lei do resfriamento de Newton
48
5.2 Lei do resfriamento de Newton
Sobre a condução do calor, um modelo real simples que trata sobre a
troca de calor de um corpo com o meio ambiente em que o mesmo está
colocado, aceita três hipóteses básicas:
1. A temperatura T = T (t) depende do tempo t e é a mesma em todos
os pontos do corpo.
2. A temperatura Tm do meio ambiente permanece constante ao longo
da experiência.
3. A taxa de variação da temperatura com relação ao tempo t é proporcional à diferença entre a temperatura do corpo e a temperatura do
meio ambiente.
A montagem e resolução da equação diferencial, assume verdadeiras as
hipóteses e dessa forma
dT
= −k (T − Tm )
dt
onde T = T (t) é a temperatura do corpo no instante t, Tm é a temperatura constante do meio ambiente e k é uma constante que depende
do material com que o corpo foi construido, sendo que o sinal negativo
indica que a temperatura do corpo está diminuindo com o passar do
tempo, em relação à temperatura do meio ambiente.
Esta equação diferencial é separável, que pode ser transformada em:
dT
= −k dt
T − Tm
Integrando ambos os membros em relação à variável tempo, teremos:
ln(T − Tm ) = −k t + k0
Aplicando a função exponencial a ambos os membros e tomando as constantes embutidas em uma só, obteremos:
T (t) − Tm = C e−kt
5.3
Elementos de Eletricidade
49
e a solução da equação diferencial será
T (t) = Tm + C e−kt
Se sabemos que a temperatura inicial do corpo é T (0) = T0 , então substituindo t = 0 na solução da equação, podemos obter a constante C que
aparece na solução, pois
T0 = Tm + C
A solução do PVI
dT
= −k (T − Tm ),
dt
será então dada por
T (0) = T0
T (t) = Tm + (T0 − Tm ) e−kt
5.3
Elementos de Eletricidade
Sem a preocupação de aprofundamento nos detalhes relacionados com
a Eletricidade, iremos apresentar alguns poucos conceitos necessários ao
presente trabalho de Equações diferenciais.
1. Se VA e VB são, respectivamente, os potenciais elétricos nos pontos
A e B de um circuito elétrico, a Diferença de potencial entre os
pontos A e B, denotada por VAB ou V (t), pode ser definida como
a integral de linha sobre o segmento de reta ligando oas pontos A
a B no campo elétrico E = E(t). Normalmente, esta diferença de
potencial V (t) será indicada com o sinal negativo, isto é:
Z t
VAB = −
E(u)du = −V (t)
0
2. A Intensidade da corrente elétrica será a taxa de variação da carga
elétrica Q em relação ao tempo t que atravessa uma seção transversal de um condutor. Em símbolos:
dQ
I(t) =
dt
5.4
Circuitos Elétricos RLC
50
3. A capacitância C de um capacitor submetido a uma carga elétrica
Q, com uma diferença de potencial entre as placas indicada por V ,
será dada por
Q(t)
C(t) =
V (t)
4. A lei de Ohm, estabelece que a diferença de potencial V nos terminais de um resistor de resistência R submetido a uma intensidade
da corrente I, é dada por:
V (t) = RI(t)
5. A indutância L de um indutor é uma constante relacionada com a
diferença de potêncial V e com a taxa de variação da intensidade
dI
da corrente elétrica em relação ao tempo
, através da expressão
dt
matemática:
dI
V (t) = L
dt
6. Existem duas leis clássicas de Kirchhoff:
(a) Lei das correntes: A soma algébrica das intensidades de corrente elétrica que chegam em um nó de um circuito elétrico é igual
à soma algébrica das intensidades de corrente elétrica que saem
do mesmo nó neste circuito elétrico.
(b) Lei das tensões: A soma algébrica das diferenças de potencial
em uma malha fechada é zero.
5.4
Circuitos Elétricos RLC
Circuitos elétricos mais complexos (redes) são basicamente formados por
resistores de resistência R, indutores de indutância L, capacitores de capacitância C, carregado com uma diferença de potencial VC e uma fonte
elétrica cuja diferença de potencial é indicada E(t).
5.4
Circuitos Elétricos RLC
51
Figura 3: Circuito elétrico RLC com capacitor carregado
Se E = E(t) é a diferença de potencial da fonte de alimentação e I = I(t)
é a intensidade da corrente elétrica, então
1. VL é a diferença de potencial nos terminais do indutor:
VL (t) = L
dI
dt
2. VR é a diferença de potencial nos terminais do resistor:
VR (t) = R I(t)
3. VC é a diferença de potencial nos terminais do capacitor:
Z t
1
VC (t) =
I(u)du
C 0
Usando as leis de Kirchhoff, quando for fechado o interruptor, obteremos
VL (t) + VR (t) + VC (t) = E(t)
ou seja
Z t
dI
1
L
+ R I(t) +
I(u)du = E(t)
dt
C 0
Se E(t) é constante e derivarmos em relação à variável t, teremos
L I 00 (t) + R I 0 (t) +
e temos uma EDO linear homogênea.
1
I(t) = 0
C
5.4
Circuitos Elétricos RLC
52
Se E = E(t) é uma função diferenciável da variável t, então
1
L I 00 (t) + R I 0 (t) + I(t) = E 0 (t)
C
Existem alguns casos particulares interessantes, sendo alguns deles apenas teóricos, mas com algum fundamento matemático.
1. Circuito RC: Vamos considerar um circuito elétrico que possui um
resistor de resistência R, um capacitor de capacitância C, uma fonte
de alimentação com voltagem E constante e I = I(t) será a intensidade da corrente elétrica.
Figura 4: Circuito elétrico RC com capacitor descarregado
A diferença de potencial nos terminais do resistor é dada por VR =
R I(t) e a diferença de potencial nos terminais do capacitor é dada
por
Z
1 t
VC (t) =
I(u)du
C 0
Pela lei de Kirchhoff das tensões, segue que
VR (t) + VC (t) = E
e a EDO linear homogênea que rege o fenômeno é
Z
1 t
R I(t) +
I(u)du = E
C 0
Derivando esta equação em relação à variável t, obtemos
R I 0 (t) +
1
I(t) = 0
C
5.4
Circuitos Elétricos RLC
53
A solução desta equação é
I(t) = K exp[−t/(RC)] = I(0) exp[−t/(RC)]
Se o capacitor estava descarregado no instante t = 0 e continua descarregado em um átimo após t = 0, então Q(0) = 0 e desse modo
Z
1 0
I(u)du = 0
VC (0) =
C 0
logo VR (0) + VC (0) = E, o que garante que R I(0) = E, assim
I(0) =
E
R
Substituindo I(0) na solução da equação, obtemos
I(t) =
E
exp[−t/(RC)]
R
Aplicando esta função, podemos obter
Z
Z
1 t
1 tE
VC (t) =
I(u)du =
exp[−u/(RC)]du
C 0
C 0 R
assim, a diferença de potencial entre os terminais do capacitor ao
longo do tempo t, será dada por:
−t
)
VC (t) = E 1 − exp(
RC
2. Circuito RL: Seja o circuito elétrico possuindo um resistor de resistência R, um indutor de indutância L e uma fonte de alimentação
constante E.
dI
Sabemos que VR (t) = R I(t) e VL (t) = L , assim usando a lei de
dt
Kirchhoff das tensões ao circuito
podemos escrever
L I 0 (t) + R I(t) = E
que é uma EDO linear não homogênea de primeira ordem.
5.4
Circuitos Elétricos RLC
54
Figura 5: Diferença de potencial nos terminais do capacitor
Figura 6: Circuito elétrico RL
A solução da equação homogênea associada é
Ih (t) = K exp(−Rt/L)
Como a parte não homogênea da EDO é uma função constante, usamos o método dos coeficientes a determinar para procurar uma solução particular Ip = Ip (t) que seja constante, assim Ip 0 (t) ≡ 0 e
então, R Ip (t) = E o que garante que
E
R
A solução da EDO é a soma da solução da homogênea associada
com a solução particular, logo
Ip (t) =
I(t) = K exp(−Rt/L) +
E
R
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
55
Se considerarmos que I(0) = 0 então
0=K+
E
R
logo K = − E
R assim
I(t) =
E
[1 − exp(−Rt/L)]
R
Esta função tem a mesma forma que a função VC = VC (t) do circuito
RC, apenas que a função horizontal limite deve ser traçada para I =
E/R.
3. Circuito RC: Se o circuito elétrico possui um resistor de resitência
R, um capacitor de capacitância C e a fonte de alimentação tem diferença de potencial E = E(t), a EDO linear que rege o fenômeno
é
1
R I 0 (t) + I(t) = 0
C
4. Circuito LC: Se o circuito elétrico possui um indutor de indutância
L, um capacitor de capacitância C e a diferença de potencial VAB =
−V (t), a EDO linear não homogênea que rege o fenômeno é
L Q00 (t) +
1
Q(t) = V (t)
C
Referências bibliográficas
[1] Figueiredo, D. G., Equações Diferenciais Aplicadas, IMPA, 12o. Colóquio Brasileiro de Matemática, (1979), Rio.
[2] Kaplan, Wilfred, Cálculo Avançado, Edgard Blücher Editora e
EDUSP, (1972), São Paulo, Brasil.
[3] Kiseliov, A., Krasnov, M., Makarenko, G., Problemas de Ecuaciones
Diferenciales Ordinarias, Editorial Mir, (1973), Moscú.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
56
[4] Quevedo, Carlos P., Circuitos Elétricos, LTC Editora, (1988), Rio de
Janeiro, Brasil.
[5] Reza, Fazlollah, Los Espacios Lineales en la Ingenieria, Editorial Reverté, S.A., (1977), Barcelona, Espanha.
[6] Spiegel, Murray, Análise de Fourier, Coleção Schaum, McGraw-Hill
do Brasil, (1976), São Paulo, Brasil.
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