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CÁLCULO APLICADO - VÁRIASCÁLCULO APLICADO - VÁRIAS VARIÁVEISVARIÁVEIS EQUAÇÕES DIFERENCIAISEQUAÇÕES DIFERENCIAIS ORDINÁRIASORDINÁRIAS Autor: Me. Tal i ta Druziani Marchiori Revisor : Ra imundo A lmeida IN IC IAR introdução Introdução Nesta unidade iremos trabalhar com equações diferenciais ordinárias, ou seja, com equações que envolvem derivadas simples de uma única variável independente. Começaremos nos familiarizando com os conceitos de uma equação diferencial. Depois, vamos de�nir quais equações representam a classe das equações separáveis, equações lineares de 1ª ordem e equações homogêneas com coe�cientes constantes de 2ª ordem. Como veremos, equações homogêneas de 2ª ordem são um caso particular de equações lineares de 2ª ordem, logo sua resolução pode ser realizado por um método similar a resolução de equações lineares de 1ª ordem. Esperamos que você aproveite ao máximo este conteúdo. Resolva os exemplos e exercícios e não esqueça de perguntar suas dúvidas. Bons estudos! Até o momento, dada uma função y = f(x) sabemos determinar sua derivada em relação a x, que é também uma função, e denotamos por dy dx = f ′ (x). Por exemplo, se y = ex 2 a regra da cadeia nos diz que dy dx = 2x e x2 = 2xy. Nesta unidade, vamos ter uma equação da forma dy dx = 2xy e vamos desejar encontrar qual função f(x) a satisfaça. Toda equação que possui derivadas de uma ou mais variáveis dependentes, em relação a uma ou mais variáveis independentes é denominada equação diferencial. Quando a equação diferencial envolve somente derivadas com relação a uma única variável independente, ela é classi�cada como uma equação diferencial Introdução às EquaçõesIntrodução às Equações Diferenciais Ordinárias.Diferenciais Ordinárias. ordinária. Muitas vezes, para simpli�car notação, denotamos as equações diferenciais ordinárias por EDO. As equações, 1. dy dt − 5y = 1; 2. (y − x) dx + 4x dy = 0; 3. du dx − dv dx = x; 4. d2y dx2 − 2 dy dx + 6y = 0 são exemplos de equações diferenciais ordinárias. A ordem de uma EDO é de�nida como a ordem da derivada de maior ordem. Logo, dy dt − 5y = 1 é de primeira ordem e d2y dx2 − 2 dy dx + 6y = 0 é de segunda ordem. Uma EDO é chamada de linear se pode escrevê-la da forma: an(x) dny dxn + a (n− 1 ) (x) d (n− 1 )y dx (n− 1 ) + . . . + a0(x) y = g(x) onde os coe�cientes a0 , a1, . . . , an e g são funções que dependem somente da variável independente x. Quando a EDO não é linear, chamamo-a de não-linear. Por exemplo, x2 d2y dx2 − 3x dy dx + 4y = 0 é uma equação diferencial ordinária linear de segunda ordem linear onde a2(x) = x2, a1(x) = − 3x , a0(x) = 4 e g(x) = 0. Já a equação diferencial ordinária de terceira ordem d3y dx3 + 2ex d2y dx2 + y dy dx = 0 é não-linear pois o coe�ciente a1 = y é uma função da variável dependente y. Qualquer função f de�nida em um intervalo I, que quando substituída na EDO, reduz a equação a uma identidade é uma solução para EDO no intervalo I. Então, pelo que vimos acima, f(x) = ex 2 + 2 e g(x) = ex 2 − 10 são soluções para a equação dy dx = 2xy no intervalo (−∞, ∞). Observe que y(x) = ex 2 + C, onde C é uma constante qualquer também é uma solução para dy dx = 2xy no intervalo (−∞, ∞). As soluções f e g, mencionadas no parágrafo acima, são ditas soluções particulares. Já y é conhecida como solução geral, pois abrange todas as soluções da equação diferencial. Com isso, vemos que uma equação diferencial pode possuir mais que uma solução e que estas soluções se diferem apenas por uma constante. Chamamos de problema de valor inicial todo problema composto por uma equação diferencial e o valor da função procurada em um determinado ponto. Este ponto é denominado valor inicial. Por exemplo, dy dx = 2xy ; y(1) = e é um problema de valor inicial com valor inicial igual a 1. Como acabamos de ver, y(x) = ex 2 + C é uma solução da equação dy dx = 2xy, onde C é uma constante qualquer. Porém, como neste caso, temos a condição de y(1) = e, isso implica que, C = 0. Então, a solução deste problema é dada pela função y(x) = ex 2 . Como temos um valor determinado no enunciado do problema, temos que a solução de um problema de valor inicial é única, caso exista. Nos demais tópicos desta unidade, vamos aprender técnicas para resolver alguns tipos de EDO. praticar Vamos Praticar O estudo de equações diferenciais ordinárias é similar ao cálculo integral. As integrais são resolvidas a partir das antiderivadas de uma função. A diferença é que agora temos que determinar que função satisfaz uma equação, com mais termos que uma integral. Com base na teoria vista neste primeiro tópico, assinale a alternativa correta. a) A equação du dy = − dv dx é uma EDO. b) b)A equação y ″ − 2y ′ + y = 0 é uma EDO não-linear. c) c) A EDO y y ″ − 2 y ′ = x é linear. d) A EDO linear y ″ − 2y ′ + y = 0 possui como solução no intervalo (−∞, ∞) a função y = xex. e) A função f(x) = x4 é uma solução para EDO não linear dy dx = xy 1 / 2 no intervalo (−∞, ∞). Neste tópico, vamos de�nir o que é uma equação diferencial separável e mostrar uma metodologia para resolver esta classe de equações. Primeiro, observe que, se g(x) for uma função contínua, a equação dy dx = g(x) pode ser solucionada através da integração, então uma solução desta equação é dada por y = ∫g(x) dx + C Equações DiferenciaisEquações Diferenciais SeparáveisSeparáveis , onde C é uma constante. Por exemplo, y = ∫ sen x dx + C = − cos x + C é solução de dy dx = sen x. Chamamos de separável toda equação diferencial que pode ser escrita da forma h(y) dy = g(x) dx. Esta classe de equações pode ser resolvida integrando as funções h e g. Para esclarecer este método de resolução, vamos resolver um exemplo. Considere a equação (1 + x) dy − y dx = 0. Temos que (1 + x) dy − y dx = 0 ⇔ (1 + x) dy = y dx ⇔ dy y = dx (1 + x) . Então, esta equação é separável com h(y) = 1 y e g(x) = 1 1 + x . Integrando ambos os lados da igualdade, vamos obter ∫ dy y = ∫ dx ( 1 + x ) ou, equivalentemente, ∫ 1 ydy = ∫ 1 ( 1 + x ) dx. Mas, ∫ 1 y dy = ln|y| + C e ∫ 1 (1 + x) dx = ln |1 + x| + C com isso, ln|y| = ln |1 + x| + C . Aplicando o exponencial na igualdade acima, temos eln | y | = eln | 1 + x | +C = e ln | 1 + x | eC donde y = |1 + x|eC = ± (1 + x)eC. Como eC é uma constante, y = (1 + x) k e y = − (1 + x) k (k constante) são soluções da equação (1 + x) dy − y dx = 0. Logo, a solução geral é dada por y = (1 + x) k. Neste exemplo que acabamos de resolver, deixamos y como função de x, porém não há necessidade de sempre tentar fazer CONSTANTE 1. Observe que para cada constante k considerada na solução y=(1+x)k que acabamos de determinar, obtemos uma solução diferente para equação (1=x)\ dy\ -ydx=0. < > isso. Por exemplo, seja a equação xe − ysenx dx − y dy = 0. Reescrevendo esta equação, temos xe − ysenx dx = y dy donde xsenx dx = y e − y dy. Isto é, xe − ysenx dx − y dy = 0 é uma equação exata onde g(x) = xsenx e h(y) = y e − y . Integrando, obtemos ∫xsenx dx = ∫ y e − y dy −x cox x + sen x = y ey − ey + C . Logo, −x cox x + sen x = y ey − ey + C é a solução geral de xe − ysenx dx − y dy = 0. Observe que em ambos os exemplos, quando realizamos a integração, deixamos sinalizado o uso de apenas uma constante C . Isso vem do fato que a soma e subtração de constantes resulta numa constante, então não precisamos carregar duas constantes na equação. praticar p Vamos Praticar Muitos modelos matemáticos são descritos através das equações diferenciais por exemplo, podemos descrever a propagação de praga com as equações separáveis. Considerando a equação diferencial ordinária de primeira ordem dada por dy dx = x2 1 − y2 , assinale a alternativa correta em relação a solução geral desta equação: a) −x3 + 3y − y3 = c. b) x3 + 3y + y3 = c c) y = x3 + y3 + C d) −x3 − y3 + 1 = 0 e) y2 + x2 − y = cNo primeiro tópico desta unidade de�nimos que uma equação diferencial linear é uma equação que pode ser escrita da forma an(x) dny dxn + a (n− 1 ) (x) d (n− 1 )y dx (n− 1 ) + . . . + a0(x) y = g(x) onde os coe�cientes a0 , a1, . . . , an e g são funções que dependem somente da variável independente x. Considerando n = 1, temos uma equação linear de 1ª ordem. Ou seja, a1(x) dy dx + a0(x)y = g(x) EDOs Lineares de 1ª OrdemEDOs Lineares de 1ª Ordem e Homogêneas de 2ª Ordeme Homogêneas de 2ª Ordem é denominada de equação linear de 1ª ordem. Sendo a1(x) ≠ 0, dividindo esta igualdade por a1(x), podemos reescrever a equação linear como dy dx + P(x)y = f(x). Para determinar soluções de uma equação linear, utilizamos o método do fator integrante. Este método consiste em multiplicarmos a equação por uma função μ(x) apropriada, denominada fator de integração, para conseguirmos realizar uma integração. Como veremos no exemplo abaixo μ(x) = e ∫ P ( x ) dx, onde P(x) é identi�cado escrevendo a equação linear na forma dy dx + P(x)y = f(x). Por exemplo, considere a equação linear x dy dx − 4y = x 6ex. Dividindo todos os termos por a1(x) = x, obtemos dy dx − 4 x y = x5ex . Este é o primeiro passo para resolver uma equação linear. Identi�cando P(x), com o passo anterior, o segundo passo, consiste em determinar o fator de integração e ∫ P ( x ) dx. Neste exemplo, ∫P(x)dx = ∫ − 4 x dx = − 4ln|x| e e ∫ P ( x ) dx = e − 4ln | x | = eln x − 4 = x − 4 No próximo passo, multiplicamos o fator de integração na equação, logo x − 4 dy dx − 4 x5 y = xex . Observe que d dx x − 4y = x − 4 dy dx − 4 x5 y. Isso sempre ocorre quando determinamos e multiplicamos corretamente o fator de integração na equação. Com isso, reescrevemos x − 4 dy dx − 4 x5 y = xex como d dx x − 4y = xex. O último passo, consiste em integrar ambos os lado da igualdade obtida, isto é, ∫ d dx x − 4y dx = ∫xexdx . Como o cálculo integral e o cálculo diferencial são processos inversos, ∫ d dx x − 4y dx = x − 4y. Donde, concluímos x − 4y = xex − ex + C ou, equivalentemente [ ] [ ] [ ] [ ] y = x5ex − x4ex + Cx4, é a solução geral de x dy dx − 4y = x 6ex. Agora, considere a equação diferencial de segunda ordem da forma saiba mais Saiba mais Como mencionamos no primeiro tópico desta unidade, uma equa diferencial ordinária que não é linear, é denominada não-linear. Resolver esta classe se equações se torna uma tarefa difícil. Porém existem equações não-lineares que podem ser reescritas como u equação linear, logo, seu método de resolução, consiste no méto apresentado acima para equações lineares. Por exemplo, equações da forma dy dx + M(x) y = N(x) y n são equaçõ diferenciais ordinárias não-lineares conhecidas com a nomenclatu Equação de Bernoulli. Realizando a substituição z = y1 − n, transformamos uma Equação de Bernoulli em uma equação linea Para ver outros exemplos de equações não lineares que podem s transformadas em equações lineares, acesse o artigo completo. Fonte: Elaborado pelo autor. ACESSAR http://www.uel.br/projetos/matessencial/superior/pdfs/edo.pdf a d2y dx2 + b dy dx + c y = 0 , onde a, b e c são constantes. Esta equação é chamada de equação homogênea de 2ª ordem com coe�cientes constantes. Note, que uma equação homogênea de 2ª ordem é uma equação linear de 2ª ordem com coe�cientes a2(x) = a, a1(x) = b e a0(x) = c e g(x) = 0, para todo x. Prosseguindo com o método de resolução que acabamos de estudar para as equações lineares de 1ª ordem, se a0(x) = a é constante, concluímos que a equação dy dx + ay = 0 possui a solução exponencial y = ce − ax em (−∞, ∞). Logo, é intuitivo imaginar que a equação homogênea de 2ª ordem possui uma solução similar. Considerando uma solução da forma y = emx para a equação a d2y dx2 + b dy dx + c y = 0, temos que y ′ = memx e y ″ = m2emx: a d2y dx2 + b dy dx + c y = e mx am2 + bm + c = 0 ⇒ emx = 0 ou am2 + bm + c = 0. Mas, emx ≠ 0, para todo x. Então, para y = emx ser solução da equação homogênea de 2ª ordem com coe�cientes constantes, é necessário que m seja raiz de am2 + bm + c = 0. Esta equação quadrática é conhecida como equação auxiliar. Sabemos que em uma equação do 2º grau, temos três situações possíveis para suas raízes. Então, ou a equação auxiliar possui ( ) raízes reais e distintas ou possui raízes iguais ou possui raízes complexas conjugadas. Se am2 + bm + c = 0 possuir raízes reais e distintas, digamos m1 e m2 , temos duas soluções para a d2y dx2 + b dy dx + c y = 0 em (−∞, ∞), dadas por y1 = e m1x e y2 = e m2x. Então, neste caso, a solução geral é dada por y = C1e m1x + C2e m2x. Se am2 + bm + c = 0 possuir raízes reais iguais, ou seja, m1 = m2, teremos somente uma solução y = em1x para a d2y dx2 + b dy dx + c y = 0 em (−∞, ∞) e, a solução geral será dada por y = C1e m1x + C2e m1x. Por �m, se am2 + bm + c = 0 possuir raízes complexas conjugadas, temos que m1 = α + iβ e m2 = α − iβ, sendo α eβ números reais. As soluções gerais neste caso são análogas as soluções gerais de quando a equação quadrática possui duas raízes reais, ou seja, y = C1e (α+ iβ ) x + C2e (α− iβ ) x. Utilizando a igualdade eiθ = cos θ + isenθ. reescrevemos a solução geral da equação a d2y dx2 + b dy dx + c y = 0 em (−∞, ∞) como y = e αx C1cos β x + C2sen β x . Considere a equação homogênea de 2ª ordem dada por d2y dx2 + dy dx + y = 0. Neste caso, a = 1, b = 1 e c = 1. Então, para obter a solução geral desta equação, precisamos determinar as raízes da equação quadrática am2 + bm + c = 0, isto é, m2 + m + 1 = 0. ( ) Resolvendo esta equação quadrática, obtemos que suas raízes são números complexos conjugados dados por m1 = − 1 2 + √3 2 i e m2 = − 1 2 + √3 2 i. Então, pelo que acabamos de ver, a solução geral de d2y dx2 + dy dx + y = 0 no intervalo (−∞, ∞) é dada por y = e − x / 2 C1cos √3 2 x + C2sen √3 2 x . praticar Vamos Praticar Para resolvermos situações problema envolvendo as equações diferenciais, devemos saber classi�cá-la, identi�cando sua ordem e classe. Desta forma, saberemos o melhor caminho que devemos seguir para determinar a solução do problema. Considere as equações 2y ″ − 5y ′ − 3y = 0 e y ′ − 3y = 0. Com base no que aprendemos neste tópico, assinale a alternativa correta. ( ) a) A equação y ′ − 3y = 0 é uma equação homogênea de 2ª ordem. b) A equação auxiliar de 2y ″ − 5y ′ − 3y = 0O possui raízes iguais a 3. c) A solução geral de y ′ − 3y = 0 é dada por y = 3x + C. d) Temos que y = C1 e − x / 2 + C2e 3x é a solução geral 2y ″ − 5y ′ − 3y = 0. e) As equações 2y ″ − 5y ′ − 3y = 0 e y ′ − 3y = 0 não possuem nenhuma solução em comum. Como em diversas situações os modelos matemáticos são descritos por equações diferenciais,, podemos utilizar os métodos de resolução aprendidos nesta unidade para resolvê-los. Poderíamos citar aplicações das mais diversas áreas como o decrescimento radioativo, crescimento populacional, a de�exão de uma viga, corrente em um circuito em série etc. No que segue, iremos resolver dois exemplos de aplicação. Aplicação das Equações Separáveis Imagine a seguinte situação: Aplicações das EquaçõesAplicações das Equações Diferenciais OrdináriasDiferenciais Ordinárias Um objeto de massa m é projetado sobre a terra em uma direção perpendicular. Considerando sua velocidade inicial igual a v0 e que não há resistência do ar, qual a menor velocidade inicial para a qual o corpo não retornará à superfície? A velocidade procurada é conhecida como velocidade de escape. Vamos considerar o semi eixo positivo dos x apontando para fora do centro da Terra no decorrer da linha de movimento. Então, x = 0 corresponde a superfície da Terra. Denotando por R o raio da Terra, temos que a força gravitacional agindo no objeto é dada por w(x) = − k ( x+R ) 2 , onde k é uma constante. Mas, sabemos que devido a gravidade no nível do mar, para x = 0 temos que w(0) = − mg , ondeg é a aceleração. Logo k = mgR2, isto é, w(x) = − mgR2 (x + R)2 . Desconsiderando outras forças agindo sobre o objeto, a equação de movimento é dada por m dv dt = − mgR2 (x + R)2 com condição inicial v(0) = v0. Considerando x como variável independente, podemos reescrever a equação do movimento como v dv dx = − gR2 (x + R)2 ou ainda, v dv = − gR2 (x + R)2 dx que é uma equação separável. Como vimos no segundo tópico desta unidade, a solução geral de uma equação separável é determinada integrando ambos os lados da igualdade. Fazendo isso, obtemos v2 2 = gR2 R+ x + C ⇒ v 2 = 2 gR2 R+ x + C. De v0 = v(0), temos v0 2 = 2 gR2 R + C ⇒ v0 2 = 2gR + C ⇒ C = v0 2 − 2gR. Substituindo este valor de C na equação acima, temos que a solução da equação do movimento com condição inicial v0 = v(0) é dada por v = ± v02 − 2gR + 2gR2 R+ x . Fazendo v = 0 e x = ε obtemos √ ε = v02R 2gR− v02 e v0 = 2gR ε R+ ε , que são, respectivamente, a altitude máxima que o objeto alcança e a velocidade inicial necessária para levantar o objeto até a altitude ε. A velocidade de escape ve é determinada calculando limε→ ∞ 2gR ε R+ ε , ou seja, ve = limε→ ∞ 2gR ε R+ ε = √2gR. O valor numérico de ve é aproximadamente 11, 1 km/s. Aplicação das Equações Lineares Em engenharia, a equação dx dt = kx com condição inicial x t0 = x0 em que k é uma constante de proporcionalidade, pode descrever a temperatura de um corpo em resfriamento. Já em física, o mesmo problema de valor inicial, ou seja, a equação com a condição inicial, pode proporcionar o cálculo aproximado da quantidade remanescente de uma substância que está sendo desintegrada através de radioatividade. √ √ √ ( ) Por exemplo, considere que um corpo está inicialmente com a temperatura T0. Uma hora depois, para t = 1, a temperatura passa a ser 3 4T0. Se a taxa de decrescimento é proporcional a temperatura, desprezando a temperatura do meio ambiente, qual o tempo necessário para que essa temperatura decresça a terça parte? Queremos resolver a equação diferencial dT dt = kT com condição inicial T(0) = T0. Como dT dt − kT = 0 é uma equação linear de 1ª ordem, seu fator de integração é dado por e ∫ ( − k ) dt. Então, dT dt − kT = 0 ⇒ e − kt dT dt − e − ktkT = 0 ⇒ d dt e − ktT = 0 ⇒ T(t) = Cekt. Mas, para t = 0 T(0) = T0 donde T0 = C. Com isso, T(t) = T0e kt. Por outro lado, para t = 1, 3 4N0 = N0e k, isto é, 3 4 = e k ⇒ k = ln 3 4 ≃ − 0, 2877. Portanto, a solução é dada pela expressão T(t) = T0e − 0 , 2877t e, como desejamos a terça parte da temperatura, 1 3T0 = T0e − 0 , 2877 t o que implica que isto ocorre em t ≃ 3, 82 horas. [ ] ( ) praticar Vamos Praticar Considerando a temperatura do meio ambiente, a lei de resfriamento, que foi enunciada por Newton, diz que a taxa de variação de temperatura T(t) de um corpo em resfriamento é proporcional à diferença entre a temperatura do corpo e a temperatura constante Tm do meio ambiente, ou seja, dT dt = k T − Tm , onde k é a constante de proporcionalidade. Sabendo disso, se uma barra da estrutura de um prédio é retirada do molde a uma temperatura de 300ºF e três minutos depois sua temperatura passa para 200ºF, quanto tempo irá demorar para a temperatura da barra atingir 75ºF, uma vez que a temperatura do meio ambiente é 70ºF? a) 10 minutos b) 20,1 minutos c) 37,5 minutos d) 59,6 minutos e) 1 hora ( ) indicações Material Complementar LIVRO Equações Diferenciais, Volume 1 Dennis G. Zill e Michael R. Cullen Editora: Pearson Education do Brasil ISBN: 9788534612913 Comentário: Neste livro o aluno terá acesso a diversos exemplos resolvidos da teoria das equações diferenciais ordinárias e poderá praticar o conhecimento adquirido nos exercícios propostos. Além disso, o livro apresenta aplicações reais da teoria. FILME O homem que viu o in�inito Ano: 2015 Comentário: Este �lme é baseado na história real do matemático indiano Srinivasa Ramanujan. Srinivasa, apesar de humilde e morar em um país que não havia muita pesquisa na época, desenvolveu grandes habilidades matemáticas que o �zeram realizar grandes contribuições no mundo da matemática como a teoria dos números e séries, por exemplo. TRA ILER conclusão Conclusão Chegamos ao �m desta unidade. No decorrer dela pudemos nos familiarizar com as equações diferenciais ordinárias. Aprendemos métodos de resolução de três classes especiais destas equações: as equações separáveis, equações lineares de 1ª ordem e equações homogêneas de 2ª ordem com coe�cientes constantes. Como devem ter percebido, não existe uma única forma de solucionar uma equação diferencial. Por exemplo, muitas equações são separáveis e lineares de 1ª ordem. Cabe a nós identi�car o melhor método de resolução para prosseguir. E, só alcançamos esta habilidade nos dedicando e praticando o conteúdo, para sanar nossas dúvidas. Esperamos que você tenha feito isso no decorrer da unidade. Sempre acredite em seu potencial, você é capaz. Até a próxima! referências Referências Bibliográ�cas ZILL, D. G., CULLEN, M. R., Equações Diferenciais, volume 1, 3ª ed. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2001. BOYCE, W. E., DIPRIMA, R. C., Equações Diferenciais Elementares, 9ª ed. Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2010.
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