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Exercícios Comentados 1. Resolva x dy dx − 4y = x6 ex Fazendo um ajuste na EDO, segue que dy dx − 4 x y = x5 ex Primeiramente, vamos calcular o fator de integração: µ(x) = ep(x) = exp ( −4 ∫ 1 x dx ) = e−4 ln |x| = eln |x| −4 = x−4. Primeiramente, vamos calcular o fator de integração: x−4 dy dx − x−4 4 x y = x−4 x5 ex x−4 dy dx − 4x−5 y = x ex d dx (x−4 y(x)) = x ex ∫ d dx (x−4 y(x)) = ∫ x ex dx x−4 y(x) = x ex − ex + c y(x) = x5 ex − x4 ex + c x4 2. Resolva a EDO: (1 + x) y′ + y = cosx com y(0) = 1 Sol: y′ + y 1 + x = cosx 1 + x Primeiramente, vamos calcular o fator de integração: µ(x) = ep(x) = exp (∫ 1 1 + x dx ) = eln |1+x| = 1 + x. Multiplicando a EDO por µ(x): (1 + x) y′ + (1 + x) y 1 + x = (1 + x) cosx 1 + x 1 (1 + x) y′ + y = cosx d dx ((1 + x) y) = cosx ∫ d dx ((1 + x) y) = ∫ cosx dx (1 + x) y(x) = sinx+ c y(x) = sinx+ c 1 + x Agora, aplicando o P.V.I, teremos: y(0) = 1: y(0) = sin 0 ◦+c 1+0 = c = 1 ou seja A solução é dada por y(x) = sinx+ 1 1 + x 3. Resova a EDO: y′ = 2x √ y − 1 Sol: dy dx = 2x √ y − 1 1√ y − 1 dy = 2x dx ∫ 1√ y − 1 dy = ∫ 2x dx 2 √ y − 1 = x2 + c √ y − 1 = x 2 + c 2 ( √ y − 1)2 = ( x2 + c 2 )2 y − 1 = ( x2 + c 2 )2 2 y(x) = 1 + ( x2 + c 2 )2 . 4. Resolva a EDO: (1 + x) dy − y dx = 0 Sol: Vamos determinar uma solução, usando o método de EDO separável: (1 + x) dy = y dx 1 y dy = 1 1 + x dx ∫ 1 y dy = ∫ 1 1 + x dx ln |y| = ln |1 + x|+ c eln |y| = eln |1+x|+c y(x) = |1 + x| ec y(x) = ±ec (1 + x) y(x) = c (1 + x). 5. Justi�cativa de solução sobre a EDO que modelo a Lei de Resfriamento de Newton: dT dt = −k (T − T0) 1 T − T0 dT = −k dt ∫ 1 T − T0 dT = −k ∫ dt ln |T − T0| = −kt+ c 3 eln |T−T0| = e−kt+c T − T0 = e−k t ec T (t) = T0 + e −k t c Usando o P.V.I: T (0) = T0 T (0) = Ta + e 0 c = T0 ⇒ c = T0 − Ta A solução é dada por T (t) = Ta + (T0 − Ta) e−k t. 6. Resolva a EDO abaixo y′ = (1− y) cosx Sol: dy dx = (1− y) cosx 1 1− y dy = cosx dx ∫ 1 1− y dy = ∫ cosx dx − ln |1− y| = sinx+ c eln |1−y| = e− sin x−c eln |1−y| = e− sin x e−c 1− y = c e− sin x y(x) = 1 + c e− sin x Usando os dados do P.V.I: y(0) = 2, teremos: y(0) = 1 + c e0 ⇒ 1 + c = 2⇒ c = 1 4 Portanto a solução é dada por y(x) = 1 + e− sin x 7. Resolva as EDO's: (a) 2xy dx+ (x2 − 1) dy = 0 Sol: Primeiro, vamos veri�car se a EDO é exata ∂M ∂y = 2x = ∂N ∂x EDO exata Sendo que, podemos identi�car ∂F ∂x = 2xy, ∂F ∂y = x2 − 1 F (x, y) = ∫ ∂F ∂x dx = ∫ 2xy dx = y x2 + k(y); ∂F ∂y = (y x2 + k(y))′ = x2 + k′(y) = x2 − 1 . Portanto, concluímos que: k′(y) = −1 V k(y) = −y Logo, F (x, y) = y x2 − y Como, F (x, y) = cV y x2 − y = c. (b) (cosx sinx− xy2) dx+ y(1− x2) dy = 0, com y(0) = 2. Sol: Primeiro, vamos veri�car se a EDO é exata ∂M ∂y = −2xy = ∂N ∂x EDO exata Sendo que, podemos identi�car ∂F ∂x = cosx sinx− xy2, ∂F ∂y = y(1− x2) F (x, y) = ∫ ∂F ∂y dy = ∫ y(1−x2) dy = ∫ y− yx2 dy = y 2 2 −x2 y 2 2 +k(x); 5 ∂F ∂x = ∂ ∂x ( y2 2 − x2 y 2 2 + k(x) ) = −2x y 2 2 +k′(x) = −x y2+k′(x) = cosx sinx−xy2. Portanto, k′(x) = cosx sinx, assim, ∫ k′(x) = ∫ cosx sinx dx, assim, k(x) = sin2 x 2 Logo, F (x, y) = y2 2 − x2 y 2 2 + sin2 x 2 y2 2 − x2 y 2 2 + sin2 x 2 = c Usando o P.V.I: y(0) = 2 22 2 + sin0◦ 2 = c⇒ 2 + 0 = c⇒ c = 2 Portanto, y2 2 − x2 y 2 2 + sin2 x 2 = 2; y2 − x2 y2 + sin2 x = 4 8. Resolvendo a EDO da página 23 do material de apoio: (3xy + y2) dx+ (x2 + xy) dy = 0 Sol: Multiplicando a EDO pelo fator de integração µ(x) = x, assim, (3x2 y + x y2) dx+ (x3 + x2 y) dy = 0 ∂M ∂y = 3x2 + 2xy = ∂N ∂x EDO exata Sendo que, podemos identi�car ∂F ∂x = 3x2 y + x y2, ∂F ∂y = x3 + x2 y 6 F (x, y) = ∫ ∂F ∂x dx = ∫ 3x2 y + x y2 dx = 3y x3 3 + y2 x2 2 + k(y). ∂F ∂y = ∂ ∂ ( 3y x3 3 + y2 x2 2 + k(y) ) = x3 + yx2 + k′(y) = x3 + x2 y, assim k′(y) = 0 V k(y) = c A solução geral é dada por F (x, y) = yx3 + y2 x2 2 + k(y) ou seja yx3 + y2 x2 2 = c 9. Resolvendo a EDO da página 24 do material de apoio: y′ = y2 + 2xy x2 Sol: y′ = y2 x2 + 2 xy x2 = (y x )2 + 2 (y x ) = f(ν) Fazendo a mudança de variável: ν = y x V y = xν dy dx = ν + x dν dx x dν dx + ν = f(ν) V x dν dx = f(ν)− ν Organizando a EDO Separável: dν f(ν)− ν = dx x Assim, dν ν2 + 2ν − ν = dx x dν ν2 + ν = dx x 7 ∫ 1 ν(ν + 1) dν = ∫ 1 x dx ∫ 1 ν dν − ∫ 1 ν + 1 dν = ∫ 1 x dx ln ν − ln |ν + 1| = ln |x|+ c ln ∣∣∣∣ νν + 1 ∣∣∣∣ = ln |x|+ c eln| ν ν+1 | = eln |x|+c ν ν + 1 = xc Isolando ν, teremos: ν = x ν + xcV ν − xνc = xc ν(x) = xc 1− xc Voltando para a mudança de variável, teremos a solução em y(x): y(x) = x ν y(x) = x2c 1− xc 10. Resolva a EDO y′ = √ y, y(0) = 0 Sol: dy dx = y 1 2 A EDO é separável, logo, escrevemos 1 y 1 2 dy = dx ∫ 1 y 1 2 dy = ∫ dx ∫ y− 1 2 dy = ∫ dx 8 2 √ y = x+ c √ y = x+ c 2 V ( √ y)2 = ( x+ c 2 )2 y(x) = (x+ c)2 4 11. Resolva a EDO homogênea abaixo (x2 + y2) dx+ (x2 − xy) dy = 0 Sol: A EDO homogênea, pois M(x, y) = x2 + y2 = x2 ( 1 + y2 x2 ) = x2 [ 1 + (y x )2] = x2f ( 1, y x ) N(x, y) = x2 − xy = x2 ( 1− y x ) = x2f ( 1, y x ) As funções M e N são homogêneas de grau 2. Se �zermos y = ux segue- se que (x2 + u2x2) dx+ [x2 − x (ux)] d dx (ux) = 0 (x2 + u2x2) dx+ [x2 − x (ux)] (u dx+ x du) = 0 x2 dx+ u2x2 dx+ (x2 − ux2) (u dx+ x du) = 0 x2 dx+ u2x2 dx+ ux2 dx+ x3 du− u2x2 dx− ux3 du = 0 x2 dx+ ux2 dx+ x3 du− ux3 du = 0 x2(1 + u) dx+ x3(1− u) du = 0 x3(1− u) du = −x2(1 + u) dx 1− u 1 + u du = − 1 x dx 9 1− u 1 + u du = − 1 x dx ∫ 1− u 1 + u du = − ∫ 1 x dx ∫ −1 + 2 1 + u du = − ∫ 1 x dx − ∫ du+ 2 ∫ 1 1 + u du = − ∫ 1 x dx −u+ 2 ln |1 + u| = − ln |x|+ c Usaremos como auxílio nos cálculos a seguinte característica: c = ln |c|, então −u+ 2 ln |1 + u|+ ln |x| = ln |c| −y x + 2 ln ∣∣∣1 + y x ∣∣∣+ ln |x| = ln |c| 2 ln ∣∣∣∣x+ yx ∣∣∣∣+ ln |x| − ln |c| = yx ln ∣∣∣∣x+ yx ∣∣∣∣2 + ln |x|︸ ︷︷ ︸− ln |c| = y x ln ∣∣∣∣ (x+ y)2x2 x ∣∣∣∣− ln |c| = yx ln ∣∣∣∣ (x+ y)2x ∣∣∣∣− ln |c|︸ ︷︷ ︸ = y x ln ∣∣∣∣ (x+ y)2x c ∣∣∣∣ = yx (x+ y)2 c x = e y x (x+ y)2 = c x e y x . 10 12. Resolva a EDO homogênea de grau zero x dy dx = y + x e y x , y(1) = 1. Sol: dy dx = y x + e y x Fazendo a seguinte mudança de variável: u = y x ⇒ y = ux, daí u+ x du dx = u+ eu x du dx = eu e−u du = 1 x dx ∫ e−u du = ∫ 1 x dx −e−u + c = ln |x| −e− y x + c = ln |x| Usando P.V.I, temos x = 1, y = 1, teremos −e−1 + c = ln 1⇒ c = e−1 Portanto a solução particular é dada por −e− y x + e−1 = ln |x| 13. Resolva a EDO Exata (e2y − y cosxy) dx+ (2x e2y − x cosxy + 2y) dy = 0 Sol: Vamos veri�car se a EDO é exata: ∂M ∂y = 2 e2y − cosxy + yx sinxy 11 ∂N ∂x = 2e2y − cosxy + xy sinxy Portanto a EDO é exata. Sendo F (x, y) = ∫ ∂F ∂y dy = ∫ (2x e2y − x cosxy + 2y) dy = 2x ∫ e2y dy − x ∫ cosxy dy + 2 ∫ y dy = 2x ( 1 2 e2y ) − x ( 1 x sinxy ) + 2 y2 2 + k(x) = x e2y − sinxy + y2 + k(x) Agora, vamos derivar a F (x, y) em relação a x: ∂F ∂x = ∂ ∂x ( x e2y − sinxy + y2 + k(x) ) = e2y − y cosxy + k′(x) = e2y − y cosxy Concluímos então k′(x) = 0⇒ k(x) = c Logo. a solução é dada por F (x, y) = x e2y − sinxy + y2 + c e x e2y − sinxy + y2 + c = 0 12 EDO de Segunda Ordem 1. Veri�que se as soluções y1(x) = x 2, y2(x) = x −1 e a combinação linear destas soluções y(x) = c1 x 2 + c2 x −1 dadas satifazem a EDO de segunda ordem dada x2y′′ − 2y = 0 Sol: Seja y1(x) = x 2, daí: y′1 = 2x e y ′′ 1 = 2 Substituindo na EDO teremos x2 2− 2x2 = 0 Note que y1(x) é solução da EDO. Seja y2(x) = x −1, daí: y′2 = −x−2 e y′′2 = 2x−3 Substituindo na EDO teremos x2 (2x−3)− 2(x−1) = 2x−1 − 2x−1 = 0 Note que y2(x) é solução da EDO. Seja y(x) = c1 y1(x) + c2 y2(x) = c1 x 2 + c2 x −1, daí: y′ = 2c1 x− c2 x−2 e y′′ = 2 c1 + 2c2 x−3 Substituindo na EDO teremos x2 (2 c1+2c2 x −3)−2 (c1 x2+c2 x−1) = 2c1 x2+2c2 x−1−2c1 x2−2c2x−1 = 0. Ou seja, para as EDO's de segunda ordem que admitemduas soluções, estas são apresentadas como uma combinação linear dessas soluções. 2. Resolva as EDO's abaixo: (a) 2y′′ − 5y′ − 3y = 0 Sol: Seja a solução geral para EDO's lineares: y = emx. Assim, y′ = memx; y′′ = m2emx Substituindo na EDO dada, teremos 2m2 emx − 5memx − 3 emx = 0 13 emx(2m2 − 5m− 3) = 0 Assim, como emx 6= 0; 2m2 − 5m− 3 = 0⇒ m1 = − 1 2 e m2 = 3 A solução geral é dada por y(x) = c1 e − 12x + c2 e 3x (b) y′′ − 10y′ + 25y = 0 Sol: Seja a solução geral para EDO's lineares: y = emx. Assim, y′ = memx; y′′ = m2emx Substituindo na EDO dada, teremos m2 emx − 10memx + 25 emx = 0 emx(m2 − 10m+ 25) = 0 Assim, como emx 6= 0; m2 − 10m+ 25 = 0⇒ m1 = m2 = 5 A solução geral é dada por y(x) = c1 e 5x + c2 x e 5x (c) y′′ + y′ + y = 0 Sol: Seja a solução geral para EDO's lineares: y = emx. Assim, y′ = memx; y′′ = m2emx Substituindo na EDO dada, teremos m2 emx +memx + emx = 0 emx(m2 +m+ 1) = 0 Assim, como emx 6= 0; m2+m+1 = 0⇒ m = −1 2 ± √ −3 2 = −1 2 ± √ 3i2 2 = −1 2 ±i √ 3 2 . 14 Onde, identi�camos por m = −1 2 e θ = √ 3 2 A solução geral é dada por y(x) = emx (c1 cos θ x+ c2 sin θ x) y(x) = e− 1 2x ( c1 cos √ 3 2 x+ c2 sin √ 3 2 x ) 3. Resolva a EDO, sabendo que y1(x) = e 5x é uma solução da EDO: y′′ − 10y′ + 25y = 0 Sol: Seja a segunda solução elaborada em função de uma conhecida : y(x) = e5x u(x) Substituindo os dados da solução na EDO: y′(x) = 5e5x u+ e5x u′ e y′′(x) = 25e5x u+ 5e5x u′ + 5e5x u′ + e5x u′′ y′′(x) = 25e5x u+ 10 e5x u′ + e5x u′′ Daí, 25e5x u+ 10 e5x u′ + e5x u′′ − 10 (5e5x u+ e5x u′) + 25 e5x u = 0 25e5x u+ 25 e5x u− 50 e5x u+ 10 e5x u′ − 10 e5x u′ + e5x u′′ = 0 e5x u′′ = 0 u′′ = 0 ⇒ ∫ u′′ = ∫ 0 u′(x) = c1 15 ∫ u′(x) = c1 ∫ dx u(x) = c1 x+ c2 Note que a solução é dada em y(x) = e5x u(x) = e5x (c1 x+ c2) Logo, y(x) = c1 x e 5x + c2 e 5x Note que y1(x) = e 5x e y2(x) = x e 5x 4. Resolva as EDO's abaixo: (a) y′′ − 4y′ + 13y = 0, y(0) = −1 e y′(0) = 2. Sol: Depois das substituições teremos: emx (m2 − 4m+ 13) = 0 emx 6= 0; m2 − 4m+ 13 = 0⇒ m = 2± 3i As soluções são dadas por y(x) = e2x (c1 cos 3x+ c2 sin 3x) Usando o P.V.I: y(0) = −1, obtemos e0 (c1 cos 0 + c2 sin 0) = −1 ⇒ c1 = −1 Usando o P.V.I: y′(0) = 2, obtemos y′(x) = 2 e2x (c1 cos 3x+ c2 sin 3x) + e 2x (−3 c1 sin 3x+ 3 c2 cos 3x) 2e0 (c1 cos 0 + c2 sin 0) + e 0 (−3 c1 sin 0 + 3c2 cos 0) = 2 2 c1 + 3c2 = 2 ⇒ 2(−1) + 3c2 = 2 ⇒ 3c2 − 2 = 2 ⇒ c2 = 4 3 . Substituindo o valor das constantes encontradas, teremos a seguinte soluçãos: y(x) = e2x (− cos 3x+ 4 3 sin 3x) 16 (b) y′′′ + 3y′′ − 4y = 0. Sol: Sol: Depois das substituições teremos: emx (m3 + 3m2 − 4) = 0 emx 6= 0; m3 + 3m2 − 4 = 0 Primeiramente, vamos veri�car, por meio de tentativas que o m = 1 sat- isfaz a equação de 3º grau e portanto é uma das raízes, logo o polinômio m− 1 = 0 divide a equação equação em questão, resultando em m3 + 3m2 − 4 = (m− 1)(m+ 2)2, logo, as raízes de m2 + 4m + 4 = 0 serão: m2 = m3 = −2. Assim, a solução da EDO será dada por y(x) = c1 e x + c2 e −2x + c3 x e −2x (c) 4y′′ + y′ = 0 Sol: Depois das substituições teremos: emx (4m2 +m) = 0 emx 6= 0; 4m2 +m = 0 ⇒ m(4m+ 1) = 0 Logo, m1 = 0 e m2 = − 1 4 A solução da EDO será dada por y(x) = c1 e 0 + c2 e − 14 x Ou seja, y(x) = c1 + c2 e − 14 x 5. Resolução a EDO da página 31 do material: y′′ + y = 0 Sol: Depois das substituições teremos: emx (m2 + 1) = 0 17 emx 6= 0; m2 + 1 = 0 ⇒ m = ± √ −1 ⇒ m = ± √ i2 ⇒ m = ±i. A solução da EDO será dada por y(x) = e0 (c1 cosx+ c2 sinx) Ou seja, y(x) = c1 cosx+ c2 sinx 6. Resolva as EDO's abaixo: (a) y′′ − x = 0 Sol: y′′ = x ∫ y′′ = ∫ x dx y′(x) = x2 2 + c1 ∫ y′(x) = ∫ ( 1 2 x2 + c1 ) dx ∫ y′(x) = 1 2 ∫ x2 dx+ c1 ∫ dx y(x) = 1 2 x3 3 + c1 x+ c2 y(x) = 1 6 x3 + c1 x+ c2 (b) y′′ − 3y′ + 2y = 0, y(1) = 0 e y′(1) = 1. Sol: Depois das substituições teremos: emx (m2 − 3m+ 2) = 0 emx 6= 0; m2 − 3m+ 2 = 0 ⇒ m1 = 1 e m2 = 2. 18 A solução da EDO será dada por y(x) = c1 e x + c2 e 2x Usando o valor do P.V.I: y(1)=0: c1 e+ c2 e 2 = 0 (I) Usando o valor do P.V.I: y'(1)=1: y′(x) = c1 e x + 2c2 e 2x c1 e+ 2c2 e 2 = 1 (II) Resolvendo o sistema de equações formado por (I) e (II), teremos: c1 = −e−1 e c2 = e−2 Assim, a solução é dada por y(x) = −e−1 ex + e−2 e2x ou y(x) = −ex−1 + e2x−2. (c) (b) y′ = (tanx) y + cosx. Sol: y′ − (tanx) y = cosx Como a EDO é linear, vamos determinar seu fator de integração: µ(x) = e ∫ p(x) = exp ( − ∫ tanx dx ) = eln | cos x| = cosx. Multiplicando a EDO por µ(x) = cosx, para obter y′ cosx− (cosx) sinx cosx y = cosx cosx y′ cosx− (sinx) y = cos2 x d dx (y(x) cosx) = cos2 x ∫ d dx (y(x) cosx) = ∫ cos2 x y(x) cosx = 1 2 x+ 1 4 sin 2x+ c 19 y(x) = 1 cosx [ 1 2 x+ 1 4 sin 2x+ c ] . (d) y′ − 3y = 0 Sol: y′ − 3y = 0 Como a EDO é linear, vamos determinar seu fator de integração: µ(x) = e ∫ p(x) = exp ( −3 ∫ dx ) = e−3x = e−3x. Multiplicando a EDO por µ(x) = cosx, para obter e−3x y′ − 3e−3x y = 0 d dx (y(x) e−3x) = 0 y(x) e−3x = c y(x) = c e3x Obs: Esta EDO pode ser resolvida também, usando o método de sepa- ração de variáveis. (e) (x+ y) dx+ x lnx dy = 0. Sol: Vamos veri�car se a EDO é exata: ∂M ∂y = 1, ∂N ∂x = lnx+ 1 Logo a EDO não é exata, vamos determinar um fator de integração, de forma que a EDO seja exata: My −Nx N = 1− lnx− 1 x lnx = − 1 x Nx −My M = lnx+ 1− 1 x+ y = lnx x+ y Resolvendo a seguinte EDO separável, para determinar o fator de inte- gração: dµ dx = f(x)µ 20 dµ dx = − 1 x µ ∫ 1 µ dµ = − 1 x dx lnµ = ln |x|−1 ⇒ µ(x) = 1 x . Agore, vamos multilplicar a EDO por µ(x), obtemos: 1 x (x+ y) dx+ 1 x x lnx dy = 0 x+ y x dx+ lnx dy = 0 ∂M ∂y = 1 x , ∂N ∂x = 1 x exata. Resolvendo e EDO: F (x, y) = ∫ ∂F ∂x = ∫ 1 + y x dx = ∫ dx+ y ∫ 1 x dx = x+ y lnx+ k(y). ∂F ∂y = ∂ ∂y (x+ y lnx+ k(y)) = lnx+ k′(y) = lnx Portanto, k′(y) = 0 ⇒ k(y) = c A solução é dada por F (x, y) = x+ y lnx+ c ou seja x+ y lnx = c 21 Exercícios Propostos 1. Resolva a EDO, sabendo que y1(x) = x 3 é uma solução da EDO: x2y′′ − 6y = 0 Sol: y(x) = c15x2 + c2x 3 2. Resolva a EDO, sabendo que y1(x) = x 2 é uma solução da EDO: x2y′′ − 3xy′ + 4y = 0 Sol: y(x) = c1 x 2 + c2x 2 lnx 3. Resolva as EDO's abaixo: (a) d4y dx4 + 2 d2y dx2 + y = 0. Sol: y(x) = c1 cosx+ c2 x cosx+ c3 sinx+ c4 x sinx (b) y′′ − y = 0, y(0) = 0 e y′(0) = 1. Sol: y(x) = 12 e x − 12 e −x (c) y′′ − y′ − 6y = 0. Sol: y(x) = c1e −2x + c2e 3x (d) y′′ + 8y′ + 16y = 0. (e) y′′ + 16y = 0, y(0) = 2 e y′(0) = −2. 22
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