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ECUACIONES DIFERENCIALES ORDINARIAS DEORDEN SUPERIOR METODO DE LOS COEFICIENTES INDETERMINADOS ECUACIONES DIFERENCIALES ORDINARIAS JOE GARCÍA ARCOS DEPARTAMENTO DE CIENCIAS EXACTAS - ESPE CLASE 6 CONTENIDO Título : Método de los coeficientes indeperminados Duración : 120 minutos Información general : Método para resolver ecuaciones diferenciales utilizando coeficientes indeterminados Objetivo : Conocer el método de los coeficientes indeterminados para resolver ecuaciones diferenciales 1 Ecuaciones diferenciales de orden superior 0.1 El método de los coeficientes indeterminados Consideramos varias ecuaciones diferenciales de segundo orden lineales no homogéneos para ver cómo hacer conjeturas razonables para la forma de G? que puede conducir a la solución general en muchos casos elementales. A lo largo de esta sección, utilizamos la siguiente idea para guiar nuestra elección de la forma de G?: ya que la primera y segunda derivadas de muchas funciones son similares a la función original (por ejemplo, las derivadas de las funciones seno y coseno son coseno y seno, las derivadas de funciones exponenciales son funciones exponenciales, derivadas de funciones polinomiales son polinomios), y en ecuaciones de la forma G ′′ + �G ′ + �G = 5 (C) tomamos combinaciones lineales de G, G ′ y G ′′ para obtener 5 (C), es razonable adivinar que la forma de G? será similar a la forma de 5 (C), la función forzada en la ecuación no homogénea. Consideremos ahora la ecuación diferencial no homogénea 00G =) + 01G=−1) + · · · + 0=−1G ′ + 0=G = � (C), (1) donde los coeficientes 00, 01, ..., 0= son constantes, pero donde el término no homogéneo � es (en general) una función no constante de C. Recordar que la solución general de (1) puede escribirse G = Gℎ + G?, donde Gℎ es la función complementaria, es decir, la solución general de la correspondiente ecuación homogénea (ecuación (1) con � reemplazada por 0), y G? es una integral particular, es decir, cualquier solución de (1) que no contiene constantes arbitrarias. En la sección 4.9 aprendimos a encontrar la función complementaria; ahora consideramosmétodos para determinar una integral particular. Consideremos primero el método de los coeficientes indeterminados. Matemáticamente hablando, la clase de funciones � a la que se aplica estemétodo es realmentemuy restringida; pero esta clase matemáticamente estrecha incluye funciones de ocurrencia frecuente e importancia considerable en diversas aplicaciones físicas. Y este método tiene una ventaja distinta cuando se aplica, es relativamente simple. Se sugiere que, en algunos casos, la integral particular G? correspondiente a un término no homogéneo en la ecuación diferencial es del mismo tipo que ese término no homogéneo, mientras que en otros casos el supuesto G? debería ser algún tipo de modificación de ese término no homogéneo. Resulta que esto es esencialmente el caso. Ahora procedemos a presentar el método sistemáticamente. Comenzamos por introducir ciertas definiciones preliminares. CLASE 6 Definición 0.1 Llamaremos a una función CI si esta función es (1) una función definida por una de las siguientes formas: 1. C=, donde = es un entero positivo o cero, 2. 40C , donde 0 es una constante diferente de 0, 3. sin(1C + 2), donde 1 y 2 son constantes, 1 ≠ 0, 4. cos(1C + 2), donde 1 y 2 son constantes, 1 ≠ 0, o (2) una función definida como un producto finito de dos o más funciones de estos cuatro tipos. El método de coeficientes indeterminados se aplica cuando la función no homogénea � en la ecuación diferencial es una combinación lineal finita de funciones CI. Obsérvese que dada una función CI 5 , cada derivada sucesiva de 5 es o bien un múltiplo constante de una función CI o bien una combinación lineal de funciones CI. Definición 0.2 Considere una función CI 5 . El conjunto de funciones que consiste en 5 y todas las funciones de CI linealmente independientes de las cuales las sucesivas derivadas de 5 sean múltiplos constantes o combinaciones lineales se llamará el conjunto CI de 5 . Estos y otros ejemplos similares de los cuatro tipos básicos de funciones de CI conducen a los resultados enumerados como números 1, 2 y 3 de la Tabla 1. Observe que el conjunto CI del producto C2 sin C es el conjunto de todos los productos obtenidos multiplicando los diversos miembros del conjunto CI {C2, C, 1} de C2 por los diversos miembros del conjunto CI {sin C, cos C} de sin C. Esta observación ilustra la situación general con respecto al conjunto CI de una función CI definida como un producto finito de dos o más funciones CI de los cuatro tipos básicos. En particular, supongamos que ℎ es una función de CI definida como el producto 5 6 de dos funciones básicas de CI 5 y 6. Entonces el conjunto CI de la función de producto ℎ es el conjunto de todos los productos obtenidos multiplicando los diversos miembros del conjunto CI de 5 por los diversos miembros del conjunto CI de 6. Los resultados de este tipo se enumeran como números 4, 5 y 6 de la Tabla 1. Ejemplo 0.1 Obtener una solución de la ecuación diferencial G ′′ − 4G = 8C2 − 2C Solución Como 5 (C) = 8C2 − 2C es un polinomio, entonces las derivadas de polinomios son polinomios, conjeturamos que se puede insertar algún polinomio en G ′′−4G para producir 8C2−2C. Por lo tanto, probamos una solución particular que es un polinomio de grado 2: G? (C) = 0C2 + 1C + 2 3 CLASE 6 Función CI Conjunto CI 1 C= {C=, C=−1, C=−2, ..., C, 1} 2 40C {40C } 3 sin(1C + 2) {sin(1C + 2), cos(1C + 2)} cos(1C + 2) {sin(1C + 2), cos(1C + 2)} 4 C=40C {C=40C , C=−140C , C=−240C , ..., C40C , 40C } 5 C= sin(1C + 2) {C= sin(1C + 2), C= cos(1C + 2), C=−1 sin(1C + 2), C=−1 cos(1C + 2), , ..., C sin(1C + 2), C cos(1C + 2), sin(1C + 2), cos(1C + 2)} C= cos(1C + 2) {C= sin(1C + 2), C= cos(1C + 2), C=−1 sin(1C + 2), C=−1 cos(1C + 2), , ..., C sin(1C + 2), C cos(1C + 2), sin(1C + 2), cos(1C + 2)} 6 40C sin(1C + 2) {40C sin(1C + 2), 40C cos(1C + 2)} 40C cos(1C + 2) {40C sin(1C + 2), 40C cos(1C + 2)} 7 C=40C sin(1C + 2) {C=40C sin(1C + 2), C=40C cos(1C + 2), C=−140C sin(1C + 2), C=−140C cos(1C + 2), ..., C40C sin(1C + 2), C40C cos(1C + 2), 40C sin(1C + 2), 40C cos(1C + 2)} C=40C cos(1C + 2) {C=40C sin(1C + 2), C=40C cos(1C + 2), C=−140C sin(1C + 2), C=−140C cos(1C + 2), ..., C40C sin(1C + 2), C40C cos(1C + 2), 40C sin(1C + 2), 40C cos(1C + 2)} Table 1: Funciones y conjuntos CI Calculamos G ′? (C) = 20C + 1, G ′′? (C) = 20 Ahora, sea que G ′′? − 4G? = 8C2 − 2C para obtener 20 − 4(0C2 + 1C + 2) = 8C2 − 2C Agrupando términos para escribir esta ecuación como (−40 − 8)C2 + (−41 + 2)C + (20 − 42) = 0 esto debe cumplirse para todo C. Por lo tanto −40 − 8 = 0, −41 + 2 = 0, 20 − 42 = 0. Resolviendo este sistema de ecuaciones, obtenemos 0 = −2, 1 = 12 , 2 = −1, concluimos que G? (C) = −2C2 + 1 2 C − 1 es una solución de la ecuación diferencial original. Esto se puede verificar por sustitución. La solución general de G ′′ − 4G = 0 es Gℎ (C) = 2142C + 224−2C . Por lo tanto, la solución general de la ecuación diferencial es G(C) = 2142C + 224−2C − 2C2 + 1 2 C − 1. � 4 CLASE 6 Ejemplo 0.2 Resolver la ecuación diferencial G ′′ + 2G ′ − 3G = 442C Solución Como las derivadas de 42C son siempre constantes por 42C , suponemos que algún múltiplo constante de 42C puede ser una solución, es decir, probaremos con G? (C) = :42C . Sustituimos G = :42C en la ecuación diferencial para obtener 4:42C + 2(2:42C ) − 3:42C = 442C Entonces 5:42C = 442C , que se cumple si : = 45 . Por lo tanto, G? (C) = 4 54 2C es una solución. La solución general de G ′′ + 2G ′ − 3H = 0 es Gℎ (C) = 214C + 224−3C . En consecuencia, la solución general de la ecuación diferencial es G(C) = 214C + 224−3C + 4 5 42C . � Ejemplo 0.3 Resolver la ecuación diferencial G ′′ − 5G ′ + 6G = −3 sin 2C Solución Las derivadas de sin 2C pueden ser múltiplos constantes de sin 2C o de cos 2C, depen- diendo de cuántas derivadas se realicen. Por lo tanto, en vez de probar tan sóloun múltiplo de sin 2C probaremos una combinación de sin 2C y cos 2C: G? (C) = 0 sin 2G + 1 cos 2G Calculamos G ′? (C) = 20 cos 2C − 21 sin 2C, G ′′? (C) = −40 sin 2C − 41 cos 2C. Sustituimos G? en la ecuación diferencial para obtener (20 + 101 + 3) sin 2C + (21 − 100) cos 2C = 0 pero sin 2C y cos 2C son linealmente independientes; por lo tanto 20 + 101 + 3 = 0, 21 − 100 = 0. Por lo tanto, resolviendo el sistema de ecuaciones, obtenemos 0 = − 352 y 1 = − 15 52 y una solución particular de la ecuación diferencial es G? (C) = − 3 52 (sin 2C + 5 cos 2C) La solución general de la ecuación homogénea es Gℎ (G) = 2142C + 2243C 5 CLASE 6 Por lo tanto, la solución general de la ecuación diferencial no homogénea es G(C) = 2142C + 2243C − 3 52 (sin 2C + 5 cos 2C). � A continuación examinaremos el método con mayor detenimiento. Parecería que el método es eficaz si 5 (C) tiene cierta forma, sugiriendo una conjetura inicial para G?. Sin embargo, encontramos una dificultad si esto no lleva a obtener un valor de G? que satisface también la ecuación homogénea G ′′ + �G ′ + �G = 0. Ejemplo 0.4 Resolver la ecuación diferencial G ′′ − 6G ′ + 9G = 843C Solución Como en un ejemplo anterior, probamos G? (C) = 043C , sin embargo, 43C satisface la ecuación diferencial homogénea asociada G ′′ − 6G ′ + 9G = 0. La siguiente opción que podemos probar es G? (C) = 0C43C , no obstante, C43C es asimismo una solución de la ecuación diferencial homogénea asociada. Por lo tanto, probamos la opción G? (C) = 0C243C . Calculamos G ′? (C) = 20C43C + 30C243C , G ′′? (C) = 2043C + 120C43C + 90C243C . Al realizar la sustitución de G? en la ecuación diferencial, se obtiene 2043C + 120C43C + 90C243C − 6(20C43C + 30C243C ) + 90C243C = 843C Los términos que contienen 0C43C y 0C243C se cancelan y nos queda 2043C = 843C ; por lo tanto, 0 = 4. Una solución particular de la ecuación diferecial es G? (C) = 4C243C La solución de la ecuación diferencial homogénea es Gℎ (C) = (21 + 22C)43C y podemos escribir la solución general como G(C) = (21 + 22C + 4C2)43C . � Ejemplo 0.5 Resuelva la ecuación diferencial: G ′′ − 4G ′ + 4G = 6 sin C − 8 cos C, G(0) = 3, G ′(0) = 4. 6 CLASE 6 Solución Encontramos la solución complementaria G ′′ − 4G ′ + 4G = 0 =⇒ <2 − 4< + 4 = 0, cuyas raíces son <1 = <2 = 2. La solución tiene la forma Gℎ = 214 2C + 22C42C =⇒ Gℎ = (21 + 22C)42C . Para encontrar la solución particular, hacemos G? = 0 sin C + 1 cos C, sustituyendo en la ecuación original, obtenemos 0 = 2 y 1 = 0. La solución particular es G? = 2 sin C, La solución esta dada por G(C) = (21 + 22C)42C + 2 sin C. Aplicando las condiciones iniciales, encontramos 21 = 3 y 22 = −4. La solución de la ecuación es G(C) = (3 − 4C)42C + 2 sin C. � Ejemplo 0.6 Resuelva la ecuación diferencial: G ′′ − 8G ′ + 20G = 5C44C sin 2C. Solución Encontramos la solución complementaria G ′′ − 8G ′ + 20G = 0 =⇒ <2 − 8< + 20 = 0, cuyas raíces son <1 = 4 − 28, <2 = 4 + 28. La solución tiene la forma Gℎ = (21 cos 2C + 22 sin 2C)44C . Para encontrar la solución particular, hacemos G? = [(0C + 1) cos 2C + (2G + 3) sin 2C]C44C , sustituyendo en la ecuación original, obtenemos 0 = − 58 , 1 = 0, 2 = 0, 3 = 5 16 . La solución particular es G? = − 5 16 (2C cos 2C − sin 2C)C44C , La solución general es G(C) = (21 cos 2C + 22 sin 2C)44C − 5 16 (2C cos 2C − sin 2C)C44C . � 7 CLASE 6 Ejemplo 0.7 Resuelva la ecuación diferencial: G ′′ + 7G ′ + 10G = C4−C cos 5C. Solución Encontramos la solución complementaria G ′′ + 7G ′ + 10G = 0 =⇒ <2 + 7< + 10 = 0, cuyas raíces son <1 = −5, <2 = −2. La solución tiene la forma Gℎ = 214 −5C + 224−2C . Para encontrar la solución particular, hacemos G? = [(0C + 1) cos 5C + (2C + 3) sin 5C]4−C , sustituyendo en la ecuación original, obtenemos 0 = − 211066 , 1 = 2855 284089 , 2 = 25 1066 , 3 = 1705 568178 . La solución particular es G? = [( − 21 1066 C + 2855 284089 ) cos 5C + ( 25 1066 C + 1705 568178 ) sin 5C ] 4−C , La solución general es G(C) = 214−5C + 224−2C + [( − 21 1066 C + 2855 284089 ) cos 5C + ( 25 1066 C + 1705 568178 ) sin 5C ] 4−C . � Ejemplo 0.8 Resuelva la ecuación diferencial: G ′′ + 2G ′ + 5G = [(C + 1) cos 2C + 3 sin 2C]4C . Solución Encontramos la solución complementaria G ′′ + 2G ′ + 5G = 0 =⇒ <2 + 2< + 5 = 0, cuyas raíces son <1 = −1 − 28, <2 = −1 + 28. La solución tiene la forma Gℎ = 4 −C (21 cos 2C + 22 sin 2C). Para encontrar la solución particular, lo hacemos en dos partes 1) G ′′ + 2G ′ + 5G = (C + 1)4C cos 2C 2) G ′′ + 2G ′ + 5G = 34C sin 2C Para 1), tenemos que G?1 = (0C + 1)4C cos 2C + (2C + 3)4C sin 2C, sustituyendo en la ecuación 1), obtenemos 0 = 112 , 1 = − 1 30 , 2 = 1 12 , 3 = − 1 15 . La solución de 1) es G?1 = ( 1 12 C − 1 30 ) 4C cos 2C + ( 1 12 C − 1 15 ) 4C sin 2C, Para 2), tenemos que G?2 = 04 C cos 2C + 14C sin 2C, 8 CLASE 6 sustituyendo en la ecuación 2), obtenemos 0 = − 310 , 1 = 3 20 . La solución de 2) es G?2 = − 3 10 4C cos 2C + 3 20 4C sin 2C, Puesto que G? = G?1 + G?2 , entonces la solución particular tiene la forma G? = ( 1 12 C − 1 30 ) 4C cos 2C + ( 1 12 C − 1 15 )4C sin 2C − 3 10 4C cos 2C + 3 20 4C sin 2C, o G? = 1 12 (C − 4)4C cos 2C + 1 12 (C + 1)4C sin 2C. La solución general es G(C) = 4−C (21 cos 2C + 22 sin 2C) + 1 12 (C − 4)4C cos 2C + 1 12 (C + 1)4C sin 2C. � Ejemplo 0.9 Resuelva la ecuación diferencial: G ′′ − 4G ′ + 13G = (C2 cos 3C − C sin 3C)42C . Solución Encontramos la solución complementaria G ′′ − 4G ′ + 13G = 0 =⇒ <2 − 4< + 13 = 0, cuyas raíces son <1 = 2 − 38, <2 = 2 + 38. La solución tiene la forma Gℎ = 4 2C (21 cos 3C + 22 sin 3C). Para encontrar la solución particular, lo hacemos en dos partes 1) G ′′ − 4G ′ + 13G = C242C cos 3C 2) G ′′ − 4G ′ + 13G = −C42C sin 3C Para 1), tenemos que G?1 = C4 2C [(0C2 + 1C + 2) cos 3C + (3C2 + 4C + 5 ) sin 3C], sustituyendo en la ecuación 1), obtenemos 0 = 0, 1 = 136 , 2 = 0, 3 = 1 18 , 4 = 0, 5 = − 1 108 . La solución de 1) es G?1 = C4 2C [ 1 36 C cos 3C + ( 1 18 C2 − 1 108 ) sin 3C ] , Para 2), tenemos que G?2 = C4 2C [(0C + 1) cos 3C + (2C + 3) sin 3C], sustituyendo en la ecuación 2), obtenemos 0 = 112 , 1 = 0, 2 = 0, 3 = − 1 36 . La solución de 2) es G?2 = C4 2C ( 1 12 C cos 3C − 1 36 sin 3C ) , Puesto que G? = G?1 + G?2 , entonces la solución particular tiene la forma G? = 1 54 C42C [(3C2 − 2) sin 3C + 6C cos 3C] . 9 CLASE 6 La solución general es G(C) = 42C (21 cos 3C + 22 sin 3C) + 1 54 C42C [(3C2 − 2) sin 3C + 6C cos 3C] . � Ejemplo 0.10 Obtener la solución general de G ′′ − 8G ′ + 16G = 8 sin 2C + 344C Solución La solución general de G ′′ − 8G ′ + 16G = 0 es Gℎ = (21 + 22C)44C . Necesitamos una solución particular de la ecuación diferencial. Dividiremos el problema de obtener una solución particular en dos partes y aplicaremos el principio de superposición Problema 1: G ′′ − 8G ′ + 16G = 8 sin 2C Problema 2: G ′′ − 8G ′ + 16G = 344C Una suma de soluciones particulares de estos problemas es una solución particular de la ecuación diferencial: Para el primer problema: Sea G1 = 0 sin 2C + 1 cos 2C, entonces G ′1 = 20 cos 2C − 21 sin 2C, G ′′ 1 = −40 sin 2C − 41 cos 2C Reemplazando en la ecuación diferencial del problema 1, obtenemos (120 + 161 − 8) sin 2C + (−160 + 121) cos 2C = 0 para todo C. Como sin 2C y cos 2C son linealmente independientes, tenemos 120 + 161 − 8 = 0 −160 + 121 = 0 Entonces 0 = 625 y 1 = 8 25 ; la solución particular es G1(C) = 6 25 sin 2C + 8 25 cos 2C Para el segundo problema: Una solución natural de una solución particular es 244C . Sin embargo, 44C es una solución G ′′ − 8G ′ + 16G = 0, como lo es también C44C . Por lo tanto, probemos una solución particular de la forma G2 = 2C244C . Derivamos obtenemos G ′2 = 22C4 4C + 42C244C G ′′2 = 162C4 4C + 2244C + 162C244C Reemplazando en la ecuación diferencial del problema 2, obtenemos 2244C = 344C por lo tanto, 2 = 32 . Una solución particular es G2(C) = 3 2 C244C 10 CLASE 6Por el principio de superposición, una solución particular de la ecuación diferencial propuesta es G(C) = (21 + 22C)44C + 6 25 sin 2C + 8 25 cos 2C + 3 2 C244C . � El método de coeficientes indeterminados se aplica sólo si la ecuación diferencial tiene co- eficientes constantes y a veces implica muchas operaciones de cálculo. No obstante, siempre que se aplica el método, surte efecto. Aunque el método se aplica sólo a ecuaciones diferenciales con coeficientes constantes, a veces un cambio de variables transformará una ecuación diferencial con coeficientes no constantes en una ecuación con coeficientes constantes (hemos visto esto con la ecuación de Cauchy - Euler). En tal caso, podemos emplear el método en la ecuación con coefi- cientes constantes y luego volver a transformar la solución en una solución de la ecuación original. Ejemplo 0.11 Resolver la ecuación diferencial C2G ′′ − 5CG ′ + 8G = 2 ln C, C > 0 Solución La ecuación diferencial C2G ′′ − 5CG ′ + 8G = 0 es una ecuación de Cauchy - Euler que sugiere que probemos la transformación D = ln C y obtenemos la ecuación diferencial transformada F′′(D) − 6F′(D) + 8F(D) = 2 ln 4D =⇒ F′′(D) − 6F′(D) + 8F(D) = 2D en la que F(D) = G(4D). El método de coeficientes indeterminados no se aplica a la ecuación de Cauchy - Euler para G: se aplica a la ecuación diferencial transformada para F. La ecuación diferencial homogénea asociada de F es F′′(D) − 6F′(D) + 8F(D) = 0, con la solución general Fℎ (D) = 2144D + 2242D Para una solución particular de F′′(D) − 6F′(D) + 8F(D) = 2D, supondremos una solución F? (D) = 2D + 3. Entonces F′? (D) = 2, F′′? (D) = 0 y haciendo F′′? (D) − 6F′? (D) + 8F? (D) = 2D se obtiene la ecuación (82 − 2)D + (83 − 62) = 0 Para que esto sea válido para todo C necesitamos que 82 − 2 = 0 83 − 62 = 0 Por lo tanto, 2 = 14 y 3 = 3 16 y F? (D) = 1 4 D + 3 16 11 CLASE 6 La solución general de la ecuación diferencial transformada es F(D) = 2142D + 2244D + 1 4 D + 3 16 Escribimos D = ln C para obtener la solución general de la ecuación diferencial original G(C) = 21C2 + 22C4 + 1 4 ln C + 3 16 . � Ejemplo 0.12 Resuelva la ecuación diferencial: C2G ′′ + CG ′ + 4G = sin(2 ln C). Solución Haciendo F = ln C, entonces I′′ + 4I = sin 2F Resolvemos la ecuación homogénea I′′ + 4I = 0 donde la ecuación característica es <2 + 4 = 0, cuyas raíces son <1 = −28, <2 = 28, la solución homogénea es Iℎ (F) = 21 cos 2F + 22 sin 2F La solución particular tiene la forma I? (F) = �F cos 2F + �F sin 2F, reemplazando en la ecuación, encontramos que � = − 14 y � = 0. La solución particular es I? (F) = − 1 4 F cos 2F de esta forma tenemos que I(F) = 21 cos 2F + 22 sin 2F − 1 4 F cos 2F y la solución general es G(C) = 21 cos(2 ln C) + 22 sin(2 ln C) − 1 4 ln C · cos(2 ln C). � Ejemplo 0.13 Resuelva la ecuación diferencial: C4G8E + 7C3G ′′′ + 8C2G ′′ = 4C−3, C > 0. Solución Haciendo F = ln C, entonces I8E + I′′′ − 2I′′ = 44−3F Solucionamos la ecuación homogénea I8E + I′′′ − 2I′′ = 0 siendo la ecuación característica <4 + <3 − 2<2 = 0, cuyas raíces son <1 = −2, <2 = <3 = 0, 12 CLASE 6 <4 = 1, la solución homogénea es Iℎ (F) = 214−2F + 22 + 23F + 244F La solución particular tiene la forma I? (F) = �4−3F , reemplazando en la ecuación, encontramos que � = 19 . La solución particular es I? (F) = 1 9 4−3F de esta forma tenemos que I(F) = 214−2F + 22 + 23F + 244F + 1 9 4−3F y la solución general es G(C) = 21C−2 + 22 + 23 ln |C | + 24C + 1 9 C−3. � 13 CLASE 6 BIBLIOGRAFÍA J. García A., Ecuaciones diferenciales ordinarias y aplicaciones, 1ra edición/Editorial López 2020. 14 0.1 El método de los coeficientes indeterminados