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Ejemplo de como resolver ejercicios de ecuaciones diferenciales
Tipo: Ejercicios
1 / 19
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METODO ABREVIADO
Este es otro de los métodos que nos permite resolver problemas de forma rápida, pero que solo es para
algunos tipos de funciones f(x), tal como podemos apreciar.
I ) (^) f x( ) p n
= ( )x II )^ f x( ) P n
( ) ex
α ⋅x = ⋅
III ) (^) f x( ) P n
( ) cosx⋅ ( βx) Q m
= + ( ) sinx⋅ (β x)
IV ) (^) f x( ) e
α ⋅x P n
( ) cosx⋅ ( βx) Q m
Primera Propiedad del Operador Derivada
Sea x la variable independiente, aunque en otros casos puede ser t o cualquier otra letra previamente
establecida.
Se define a:
x
d
d
= , como el operador primera derivada.
2
2 x
d
d
2
= , como el operador segunda derivada
3
3 x
d
d
3
= , como el operador tercera derivada
n
n x
d
d
n
= , como el operador n-sima derivada
Consideremos para la primera propiedad, funciones del tipo exponencial es decir:
f x( ) e
α ⋅x = , donde^ α^ es una constante. Aplicando el operador derivada a este tipo de funciones se tiene:
D e
α ⋅x
α ⋅x = ⋅ D
2 e
α ⋅x
2 e
α ⋅c = ⋅ D
3 e
α ⋅x
3 e
α ⋅x = ⋅ ........ ..^ D
n e
α ⋅x
n e
α ⋅x = ⋅
Sumando las anteriores igualdades se tiene:
n D
n 1−
3
2
α ⋅x ⋅ α
n α
n 1−
3
2
α ⋅x
P D( ) e
α ⋅x ⋅ P ( α) e
α ⋅x = ⋅
Si multiplicamos la ecuación por:
P D( ) P⋅ (α )
se tiene
e
α ⋅x ⋅
P (α )
e
α ⋅x = ⋅ P (α ) ≠ 0
NOTA: La expresión^
, representa el operador inverso del polinomio P(D)
1 DE 19 R.M.S
METODO ABREVIADO
2 x
y
d
d
2
x
y
d
d
− ⋅ + 2y 10 e
4x = ⋅ y p
P ( α)
e
α ⋅x = ⋅ ;^ P ( α) ≠ 0
2
2
y c
e
x ⋅ C 2
e
2x = + ⋅ D
2
y p
⋅ 10 e
4x = ⋅ y p
e
4x = ⋅ y y c
y p
e
x ⋅ C 2
e
2x
e
4x = + ⋅
Segunda Propiedad del Operador Derivada
Esta propiedad se aplica a funciones polinomicas de la forma:
p n
( )x a o
a 1
x
2
x
n = + ⋅
P D( ) y⋅ a o
a 1
x
2
x
n = + ⋅ y p
a o
a 1
x
2
x
n
Donde
es un polinomio en "D", calculando en serie de orden "n". (División continua y forma
ascendente).
Por ejemplo, si P D( ) a o
a 1
= + ⋅D, se tiene
a o
a 1
a o
2
= − ⋅D, que es la serie de orden 1
P D( ) a o
a 1
2 = + ⋅ ,se tiene
a o
a 1
a o
2
a 1
2
a o
2
a 2
a o
a o
3
2 = + ⋅ ,
que es la serie de orden 2.
Lo anterior depende si el polinomio es de grado 1,2,3,4,...n.
EJEMPLO 2 Obtener la solución general de la siguiente ecuación lineal no homogénea.
2 x
y
d
d
2
x
y
d
d
− ⋅ + 6y 4x
2 = − 7x+ 5
2 DE 19 R.M.S
METODO ABREVIADO
2 y + 5D+ 6 factor →(D + 3 ) ⋅( D + 2 ) c
c 1
e
− 3 x ⋅ c 2
e
− 2 x = + ⋅ y c
c 1
e
− 3 x ⋅ c 2
e
− 2 x = + ⋅
y p
2
= ⋅ 20 ⋅cos 4x( )
2 − + 5D+ 6
= ⋅ cos 4x( )
y p
= ⋅ ⋅cos 4x( ) 4
2 − − 4
= ⋅ ⋅( D + 2 )⋅cos 4x( )
y p
= − (− 4 ⋅ sin 4x( )+2 cos 4x⋅ ( ))
= ⋅( 2 sin 4x⋅ ( )−cos 4x( ))
y c 1
e
− 3 x ⋅ c 2
e
− 2 x
= + ⋅(2 sin 4x ⋅ ( )−cos 4x( ))
Cuarta Propiedad del Operador Derivada
En esta propiedad se considera una función cualquiera de x, llamada u(x) multiplicada por la función
exponencial (^) e
αx es decir: (^) u x( ) e
αx ⋅.
Esta propiedad permite anteponer la exponencial al operador derivada, afectando a este ultimo
únicamente a la función u(x).
Si en lugar del operador D aplicamos a este tipo de funciones un P(D)(polinomio en D), entonces:
F D( ) u x⋅ ( )e
αx ⋅ e
αx = ⋅ F D( +α)⋅u x( ) Entonces^ y p
⋅ u x( )e
αx = ⋅ e
αx 1
F D( +α)
= ⋅ ⋅u x( )
Obtener la solución general de la siguiente ecuación diferencial lineal no homogénea:
3 x
y
d
d
3
2 x
y
d
d
2
x
y
d
d
2x = ⋅ ⋅cos 3x( )
3 6 D
2
solve
→ y c
c 1
e
−x ⋅ c 2
e
− 2 x
e
− 3 x = + ⋅
y p
3 6 D
2
8 e
2x
4 DE 19 R.M.S
METODO ABREVIADO
y p
8 e
2x ⋅
3 6 (D + 2 )
2
= ⋅ ⋅cos 3x( )
3 6 (D + 2 )
2
3 12 D
2 → + ⋅ + 47 D⋅ + 60
y p
8 e
2x ⋅
3 12 D
2
= ⋅cos 3x( ) 8 e
2x ⋅
2 −
2 −
= ⋅ ⋅cos 3x( )
2
2
y p
8 e
2x ⋅
= ⋅ ⋅cos 3x( ) 8 e
2x ⋅
2 D
2 ⋅ 48
2 −
= ⋅ (38 D ⋅ + 48 ) cos 3x⋅ ( )
y p
8 e
2x 1
2 3
2 −
2 −
⋅ ( 38 D⋅ + 48 ) cos 3x⋅ ( )
2 3
2
2 − →− 15300
y p
8 e
2x ⋅
= ⋅( − 114 sin 3x( ) +48 cos 3x⋅ ( ))
8 e
2x ⋅
⋅ ( − 114 sin 3x( ) +48 cos 3x⋅ ( ))simplify
4 e
2 x⋅ ⋅ ⋅( 8 cos 3 x⋅ ( ⋅)−19 sin 3 x⋅ ( ⋅ ))
y p
4 e
2 x⋅ ⋅ ⋅(8 cos 3 x ⋅ ( ⋅ )−19 sin 3 x⋅ ( ⋅))
y c 1
e
−x ⋅ c 2
e
− 2 x
e
− 3 x
4 e
2 x⋅ ⋅ ⋅( 8 cos 3 x⋅ ( ⋅)−19 sin 3 x⋅ ( ⋅ ))
5 DE 19 R.M.S
METODO ABREVIADO
p
n
= ⋅ ( )x A0 + A1 D⋅ A2 D
2
n
n
= ⋅ ( )x ;^ A0 ≠ 0
EJEMPLO 1 y'' + y x
2 = +2x f1 x( ) x
2 := +2x
2
solve
i
−i
→ y p
2
= ⋅ f x( ) yc := C1 cos xC1⋅ ( )+C2 sin x⋅ ( )
Realizamos la división continua
que se puede simular con series:
2
series D, , 3 1 D
2 → −
yp1 x( ) f1 x( ) 2 x
f1 x( )
d
d
2
− x
2 := → + 2 x⋅ − 2 yp1 x( ) x
2 → + 2 x⋅ − 2 y = yc +yp
p
n
= ⋅ ( )x A0 + A1 D⋅ A2 D
2
n
n
= ⋅ ( )x ;^ A0 = 0
EJEMPLO 2 y'' + 4 y'⋅ x
3 = +3x f2 x( ) x
3 := +3x
y p
= ⋅f x( )
series D, , 4
2
3
f x( ) x
= d
2
f x( ) x x
d
= d .......^
n
x x ...
... f x( ) x
⋅ d
d
= d
yp2 x( ) x
f2 x( )
x
f2 x( )
d
d
2 x
f2 x( )
d
d
2
3 x
f2 x( )
d
d
3
d
x
3
9 x
2 ⋅
29 x⋅
yp2 x( )
x
3
9 x
2 ⋅
29 x⋅
→ + yc C1 C2 e
− 4 x = + ⋅
7 DE 19 R.M.S
METODO ABREVIADO
αx y (^) F (α ) ≠ 0 y p
ke
αx = ;^ y p
k e
αx 1
F (α )
EJEMPLO 3 y'' − 5y'+ 6y e
4x = q3 x( ) e
4x :=
2 − 5D+ 6 solve D,
→ y p
2 − 5D+ 6
e
4x
y p
e
4x 1
2 − 5 4⋅ + 6
= ⋅ y p
e
4x
f3 D( ) D
2 := − 5D+ 6 yp3 x D( , )
f3 4( )
= ⋅q3 x( ) yp3 x D( , )
e
4 x⋅
αx y (^) F (α ) = 0 ; (^) y p
ke
αx = ;^ y p
ke
αx 1
F D( +α)
EJEMPLO 4 y'' − 5y'+ 6y e
2x = q4 x( ) e
2x :=
2 − 5D+ 6 solve D,
→ f4 D( ) D
2 := − 5D+ 6 y p
2 − 5D+ 6
e
2x = ⋅
y p
e
2x 1
2 − 5 ⋅(D + 2 )+ 6
y p
e
2x 1
2 −D
= ⋅ e
2x 1
series D, , 1 → − 1 y p
e
2x 1
= ⋅ (− 1 ) y p
e
2x = (− x) y p
−x e
2x = ⋅
yp4 x D( , ) q4 x( )
f4 D( + 2 )
= ⋅ factor yp4 x D( , )
e
2 x⋅
2 −
yp e
2x − 1 x
= ⋅ d yp x e
2 x⋅ 1 → = − ⋅
series D, , 1 →− 1
8 DE 19 R.M.S
METODO ABREVIADO
2 −
a) (^) y p
2
= K sin⋅ ( βx +φ) ;^ y p
x
d
d
= ⋅ ⋅(K sin ⋅ ( βx +φ))
b) (^) y p
2
= K cos⋅ ( β x +φ) ;^ y p
x
d
d
= ⋅ ⋅( K cos⋅ ( βx +φ))
EJEMPLO 6 y'' + 16y = 10 cos 4x⋅ ( ) q6 x( ) :=10 cos 4x⋅ ( )
f6 D( ) D
2 := + 16 D
2
4i
−4i
y p
2
= ⋅ 10 ⋅cos 4x( ) y p
x
= ⋅ ⋅ 10 ⋅cos 4x( ) yp
= x sin 4 x⋅ ( ⋅ )
yp6 x D( , ) x
f6 D( )
d
d
= ⋅ q6 x( )factor yp6 x D( , )
5 x⋅ ⋅cos 4 x( ⋅ )
yp 5 cos 4x( ) x
= d yp
5 sin 4 x⋅ ( ⋅)
→ = yp
= x sin 4 x⋅ ( ⋅ )
p
= x V x⋅ ( ) x
⋅ V x( )
d
d
2
= − ⋅V x( ) ;^ F (α ) ≠ 0
EJEMPLO 7 y'' − 5y'+ 6y x e
5x = ⋅ V7 x( ) e
5x =
y p
2 − 5D+ 6
⋅x e
5x = ⋅ y p
x
2 − 5D+ 6
⋅ e
5x ⋅
2 − 5D+ 6
2
e
5x = − ⋅
y p
x e
5x ⋅
2 − 5 5⋅ + 6
⋅ e
5x 2 5⋅ − 5
2 − 5 5⋅ + 6
2
yp
5 e
5 x⋅ ⋅
x
e
d 5x
d
x e
5 x⋅ ⋅
= + yp
x e
5 x⋅ ⋅
5 e
5 x⋅ ⋅
10 DE 19 R.M.S
METODO ABREVIADO
EJEMPLO 7.1 y'' − 5y'+ 6y x e
5x = ⋅ V7 x( ) e
5x :=
y p
2 − 5D+ 6
⋅x e
5e
x
= ⋅ y p
e
5x 1
2 − 5 ⋅(D + 5 )+ 6
= ⋅ ⋅x
2 − 5 ⋅(D + 5 )+ 6 expand D
2 → + 5 D⋅ + 6 y p
e
5x 1
2
= ⋅ ⋅x
2
e
5x = ⋅ ( 6 +5 D⋅ )⋅x
y p
e
5x = (6x + 5 )
EJEMPLO 7.2 y'' − 5y'+ 6y x e
5x = ⋅ V7 x( ) e
5x =
f7 D( ) D
2 := − 5D+ 6 q7 x( ) :=x V7 x⋅ ( )
yp7 x D( , ) x
f7 5( )
⋅ e
5x ⋅
f7 D( )
d
d
f7 5( )
2
e
5x := − ⋅ yp7 x D( , ) expand
5 e
5 x⋅ ⋅
D e
5 x⋅ ⋅
x e
5 x⋅ ⋅
yp
5 e
5 x⋅ ⋅
x
e
d 5x
d
x e
5 x⋅ ⋅
= + yp
x e
5 x⋅ ⋅
5 e
5 x⋅ ⋅
→ = − y p
e
5x = (6x + 5 )
EJEMPLO 8 y'' + 3y = 2 sin 3x⋅ ( + 4 ) q8 x( ) :=2 sin 3x⋅ ( + 4 )
f8 D( ) D
2 := + 3 yp8 x D( , )
f8 D( )
⋅q8 x ( )substitute D
2 3
2 , = −
sin 3 x( ⋅ + 4 )
yp8 x 3i( , )
collect
sin 3x( + 4 )
sin 3 x( ⋅ + 4 )
→ − yp = yp8 x 4( , ) yp
sin 3 x( ⋅ + 4 )
11 DE 19 R.M.S
METODO ABREVIADO
EJEMPLO 11 y'' + 25y 5 e
2x = ⋅ cos 5x( ) q11 x( ) 5 e
2x := ⋅ cos 5x( )
f11 D( ) D
2 := + 25 yp11 x D( , )
f11 D( + 2 )
⋅( q11 x ( ))simplify
5 cos 5 x⋅ ( ⋅ )e
2 x⋅ ⋅
2
yp 5 e
2x ⋅
2
= ⋅ cos 5x( )substitute D
2 5
2 , = − , simplify yp
5 cos 5 x⋅ ( ⋅)e
2 x⋅ ⋅
y p
e
2x ⋅
= ⋅ ⋅cos 5x( ) y p
e
2x ⋅
2 − 1
= ⋅ ⋅cos 5x( )
yp
e
2x ⋅
x
( cos 5 x( ⋅))
d
d
−cos 5 x( ⋅ )
2 − 1
= substitute D
2 5
2 , = − yp
5 e
2 x⋅ ⋅ ⋅( cos 5 x( ⋅) +5 sin 5 x⋅ ( ⋅ ))
yp
5 e
2 x⋅ ⋅ ⋅(cos 5 x ( ⋅) +5 sin 5 x⋅ ( ⋅))
y'' − 2y'+ 2y e
x = ⋅sin x( ) q12 x( ) e
x := ⋅sin x( ) EJEMPLO 12
f12 D( ) D
2 := − 2D+ 2 yp12 x D( , )
f12 D( + 1 )
⋅( q12 x ( ))simplify
e
x ⋅sin x( )
2
yp x e
x 1
2
d
d
= ⋅ ⋅q12 x( ) yp
x e
2 x⋅ ⋅ ⋅sin x( )
yp
x
e
x ⋅ sin x( ) x
= ⋅ d yp
x e
x ⋅ ⋅cos x( )
→ = − yp
x e
x ⋅ ⋅cos x( )
13 DE 19 R.M.S
METODO ABREVIADO
EJEMPLO 13 y'' − 9y x e
2x = ⋅ ⋅sin 4x( ) f13 x( ) x e
2x := ⋅ ⋅sin 4x( )
Recordemos los Teoremas a aplicar:
1 ) (^) y p
= x V x⋅ ( ) x
⋅ e
2x ⋅sin 4x( )
d
d
2
e
2x ⋅sin 4x( )
2 ) (^) y p
e
αx = ⋅ ⋅V x( ) e
αx 1
F D( +α)
= ⋅ ⋅V x( )
3 ) (^) y p
2
= ⋅sin (β x)
F β
2 −
= ⋅sin (β x) para^ F β
2 −
En este ejemplo se aplican 3 teoremas juntos, le recomuiendo mucha atencion, por que este es
esl reto para el dominio del metodo abreviado.
Primero operamos sobre x: F13 D( ) D
2 := − 9
y p
2 − 9
x e
2x
⋅ e
2x
d
d
2
e
2x
Segundo operamos sobre e
2x
y p
x e
2x ⋅
⋅ ⋅ sin 4x( ) 2D e
2x 1
2
⋅ ⋅sin 4x( )
y p
x e
2x ⋅
2
⋅ ⋅sin 4x ( ) 2D e
2x 1
2
2
⋅ ⋅sin 4x( )
y p
x e
2x ⋅
2 − + 4 D⋅ − 5
⋅ ⋅ sin 4x( ) 2D e
2x 1
2 − + 4 D⋅ − 5
2
⋅ ⋅sin 4x( )
y p
x e
2x ⋅
⋅ ⋅ sin 4x( ) 2D e
2x 1
2
⋅ ⋅sin 4x( )
14 DE 19 R.M.S
METODO ABREVIADO
Consiste en resolver una sucesion ecuaciaciones diferenciales lineales de primer orden,
transformandose en integrales continuas. Siempre y cuando el polinomio caracteristico tenga
raices reales.
Si λi son las raices del polinomio caracteristico con i=1,2,3,...,n
D λ 1
( )
D λ 2
( )
⋅.... D λ n
( )
⋅ y = f x( )
( D −λn) u n
⋅ = f x( ) u n
e
λ n
⋅x
e x
λ n
− ⋅x
⋅ f x( )
= ⋅ d
D λ 2
( )
u 2
⋅ u 3
= u 2
e
λ 2
⋅x
e x
λ 2
− ⋅x
⋅ u3 x( )
= ⋅ d
D λ 1
( )
u 1
⋅ u 2
= u 1
e
λ 1
⋅x
e x
λ 1
− ⋅x
⋅ u2 x( )
= ⋅ d
y p
e
λ 1
⋅x
e x
λ 1
− ⋅x
e
λ 2
⋅x
e x
λ 2
− ⋅x
⋅ u
⋅ d
= ⋅ d e
λ 1
⋅x
e x
λ 2
λ 1
− ( ) x
e x
λ 2
⋅x
⋅ u
⋅ d
= ⋅ d⋅.....
y p
e
λ 1
⋅x
e x
λ 2
λ 1
− ( ) x
e x
λ 3
λ 2
− ( ) ⋅x
⋅ .......... e x
λ n
λ n − 1 − ( ) ⋅x
⋅ d
⋅ d
= ⋅ d⋅.....dx
16 DE 19 R.M.S
METODO ABREVIADO
EJEMPLO 14 y'' − 3y'+ 2y x
2 = + 6x+ 5 f14 x( ) x
2 := + 6x+ 5
2
2 = + 6x+ 5 D
2 − 3D+ 2
solve
→ λ 1
:= 1 λ 2
y p
e
λ 1
⋅x
e x
λ 2
λ 1
−
⋅x
e x
λ 2
− ⋅x
⋅ f14 x( )
⋅ d
= ⋅ d y p
x
2
9 x⋅
Comparando con el ejemplo 10, se tiene: yp
x
2
9 x⋅
EJEMPLO 15 y''' − 3y''+ 3y'− y x e
3x = ⋅ f15 x( ) x e
3x := ⋅
3 3 D
2
3x = ⋅ D
3 3 D
2 − ⋅ + 3 D⋅ − 1
factor
3 →
λ 1 := 3 λ 2 := 3 λ 3 := 3
y p
e
λ1 x⋅ e x
( λ 2 −λ 1 ) x⋅ e x
(λ 3 −λ 2 ) x⋅ e x
− λ 3 ⋅ x ⋅f15 x( )
⋅ d
⋅ d
= ⋅ d y p
x
4 e
3 x⋅ ⋅
Otra forma con abreviado
3 ⋅y x e
3x = ⋅ y p
e
3x 1
3
= ⋅ ⋅x y p
e
3x 1
3
= ⋅ ⋅x
y p
e
3x 1
2
x
2
= ⋅ y p
e
3x 1
x
3
= ⋅ y p
e
3x x
4
17 DE 19 R.M.S
METODO ABREVIADO
Resolver las EDO por el metodo ABREVIADO adecuado:
1 ) (^) 2y''' + 3y''+ y'− 4y e
−t = 2 )^ y'' + 9y 4t
3 = ⋅sin 3t( )
3 ) (^) y
iv − 3y''− 8y = sin t( ) 4 )^ y'' − 6y'+ 9y 5t
6 e
3t = ⋅
Resolver las EDO por el metodo ABREVIADO adecuado:
1 ) (^) x'' t( ) − 2 x' t( )+ x t( ) 24t
2 e
t = ⋅ 2 )^ x'' t( ) − 4 x' t( )+ 4 x t( ) t e
2t = ⋅
3 ) (^) y'' + 2y'+ 4y 111 e
2t = ⋅ ⋅cos 3t( ) 4 )^ y'' x( ) + y x( ) = 4x cos x⋅ ( )
Resolver las EDO por el metodo ABREVIADO adecuado:
1 ) (^) y''' − 2y'− y'+ 2y 2t
2 = + 4t− 9 2 )^ y'' − 4y'+ 4y t
2 e
2t ⋅ e
2t = −
3 ) (^) y'' − 4y'+ 5y e
5t = + t sin 3t⋅ ( )−cos 3t( ) 4 )^ y'' + 2y'+ 2y e
− x = cos x( )
5 ) (^) y'' − 4y 4 x
2 ⋅ e
2x = ⋅ y 0( ) = ,^0 y' 0( ) = 0
6 ) (^) y'' + 4y = 4 cos 2x⋅ ( ) y 0( ) = , (^1) y'
π
19 DE 19 R.M.S