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CÁLCULO APLICADO - VÁRIASCÁLCULO APLICADO - VÁRIAS VARIÁVEISVARIÁVEIS EQUAÇÕES DIFERENCIAISEQUAÇÕES DIFERENCIAIS ORDINÁRIASORDINÁRIAS Autor: Me. Talita 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 sabemos determinar sua derivada em relação a , que é também uma função, e denotamos por . Por exemplo, se a regra da cadeia nos diz que . Nesta unidade, vamos ter uma equação da forma e vamos desejar encontrar qual função 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 ordinária. Muitas vezes, para simpli�car notação, denotamos as equações diferenciais ordinárias por EDO. As equações, 1. ; 2. 3. ; Introdução às EquaçõesIntrodução às Equações Diferenciais Ordinárias.Diferenciais Ordinárias. y = f (x) x = (x) dy dx f ′ y = ex 2 = 2x = 2xy dy dx ex 2 = 2xy dy dx f (x) − 5y = 1 dy dt (y − x) dx + 4x dy = 0; − = xdu dx dv dx 4. são exemplos de equações diferenciais ordinárias. A ordem de uma EDO é de�nida como a ordem da derivada de maior ordem. Logo, é de primeira ordem e é de segunda ordem. Uma EDO é chamada de linear se pode escrevê-la da forma: onde os coe�cientes e são funções que dependem somente da variável independente . Quando a EDO não é linear, chamamo-a de não- linear. Por exemplo, é uma equação diferencial ordinária linear de segunda ordem linear onde , e . Já a equação diferencial ordinária de terceira ordem é não-linear pois o coe�ciente é uma função da variável dependente . Qualquer função de�nida em um intervalo , que quando substituída na EDO, reduz a equação a uma identidade é uma solução para EDO no intervalo . Então, pelo que vimos acima, e são soluções para a equação no intervalo . Observe que , onde é uma constante qualquer também é uma solução para no intervalo . As soluções e , mencionadas no parágrafo acima, são ditas soluções particulares. Já 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. − 2 + 6y = 0 d y2 dx2 dy dx − 5y = 1 dy dt − 2 + 6y = 0 d y2 dx2 dy dx (x) + (x) +. . . + (x) y = g (x)an dny dxn a(n−1) yd(n−1) dx(n−1) a0 , , . . . , a0 a1 an g x x − 3x + 4y = 02 d y2 dx2 dy dx (x) = xa2 2 (x) = −3x , (x) = 4a1 a0 g (x) = 0 + 2 + y = 0 d y3 dx3 ex d y2 dx2 dy dx = ya1 y f I I f (x) = + 2ex 2 g (x) = − 10ex 2 = 2xy dy dx (−∞, ∞) y (x) = + Cex 2 C = 2xy dy dx (−∞, ∞) f g y 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, é um problema de valor inicial com valor inicial igual a 1. Como acabamos de ver, é uma solução da equação , onde é uma constante qualquer. Porém, como neste caso, temos a condição de , isso implica que, Então, a solução deste problema é dada pela função . Como temos um valor determinado no enunciado do problema, temos que a solução de um problema de valor inicial é única, caso exista. = 2xy ; y (1) = e dy dx y (x) = + Cex 2 = 2xy dy dx C y (1) = e C = 0. y (x) = ex 2 Nos demais tópicos desta unidade, vamos aprender técnicas para resolver alguns tipos de EDO. ti eflita Re�ita equentemente, desejamos descrever situações através de rmos matemáticos, que chamamos de modelos matemáticos. uitos desses modelos são equações diferenciais. Por emplo, na engenharia, podemos determinar a de�exão tática de uma viga elástica causada por seu peso ou por uma rga externa, através de uma equação diferencial. Em asticidade, é visto que o momento de�etor em um nto ao longo da viga está relacionado com a carga por idade de comprimento através da equação . Utilizando esta equação e a proporcionalidade istente entre o de�etor e à curvatura da viga, a de�exão uma viga �xa em sua extremidade esquerda e solta em sua tremidade direita, como uma haste de bandeira, por emplo, é dada pela equação , onde é uma nstante conhecida por rigidez de�etora da viga. Outras uações presentes na engenharia são descritos através de uações diferenciais, pesquise e re�ita sobre! nte: Elaborado pelo autor. M (x) x w (x) = w (x)M x2 y (x) C = w (x) yd4 dx4 C 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 é uma EDO. b) b)A equação é uma EDO não-linear. c) c) A EDO é linear. d) A EDO linear possui como solução no intervalo a função . e) A função é uma solução para EDO não linear no intervalo . = −du dy dv dx − 2 + y = 0y ′′ y ′ y − 2 = xy ′′ y ′ − 2 + y = 0y ′′ y ′ (−∞, ∞) y = xex f (x) = x4 = x dy dx y1/2 (−∞, ∞) 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 for uma função contínua, a equação pode ser solucionada através da integração, então uma solução desta equação é dada por , onde é uma constante. Por exemplo, é solução de . Equações DiferenciaisEquações Diferenciais SeparáveisSeparáveis g (x) = g (x) dy dx y = g (x) dx + C∫ C y = sen x dx + C = − cos x + C∫ = sen xdy dx Chamamos de separável toda equação diferencial que pode ser escrita da forma Esta classe de equações pode ser resolvida integrando as funções e . Para esclarecer este método de resolução, vamos resolver um exemplo. Considere a equação . Temos que . Então, esta equação é separável com e . Integrando ambos os lados da igualdade, vamos obter ou, equivalentemente, Mas, e com isso, . Aplicando o exponencial na igualdade acima, temos h (y) dy = g (x) dx. h g (1 + x) dy − y dx = 0 (1 + x) dy − y dx = 0 ⇔ (1 + x) dy = y dx ⇔ = dy y dx (1 + x) h (y) = 1 y g (x) = 11+x =∫ dy y ∫ dx (1+x) dy = dx.∫ 1 y ∫ 1 (1+x) dy = ln |y| + C∫ 1 y dx = ln |1 + x| + C∫ 1 (1 + x) ln |y| = ln |1 + x| + C = =eln|y| eln |1+x|+C eln |1+x|eC donde Como é uma constante, e ( constante) são soluções da equação . Logo, a solução geral é dada por . y = |1 + x| = ± (1 + x) .eC eC eC y = (1 + x) k y = − (1 + x) k k (1 + x) dy − y dx = 0 y = (1 + x) k 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. < > Neste exemplo que acabamos de resolver, deixamos como função de , porém não há necessidade de sempre tentar fazer isso. Por exemplo, seja a equação .Reescrevendo esta equação, temos donde . Isto é, é uma equação exata onde e . Integrando, obtemos . Logo, é a solução geral de . Observe que em ambos os exemplos, quando realizamos a integração, deixamos sinalizado o uso de apenas uma constante . Isso vem do fato que a soma e subtração de constantes resulta numa constante, então não precisamos carregar duas constantes na equação. praticar Vamos Praticar Muitos modelos matemáticos são descritos através das equações diferenciais por exemplo, podemos descrever a propagação de praga com as equações separáveis. y x x senx dx − y dy = 0e−y x senx dx = y dye−y xsenx dx = dy y e−y x senx dx − y dy = 0e−y g (x) = xsenx h (y) = y e−y xsenx dx = dy∫ ∫ y e−y −x cox x + sen x = y − + Cey ey −x cox x + sen x = y − + Cey ey x senx dx − y dy = 0e−y C Considerando a equação diferencial ordinária de primeira ordem dada por assinale a alternativa correta em relação a solução geral desta equação: a) . b) c) d) e) = , dy dx x2 1−y2 −x + 3y − y = c3 3 x + 3y + y = c3 3 y = x + y + C3 3 −x − y + 1 = 03 3 y + x − y = c2 2 No primeiro tópico desta unidade de�nimos que uma equação diferencial linear é uma equação que pode ser escrita da forma onde os coe�cientes e são funções que dependem somente da variável independente . Considerando , temos uma equação linear de 1ª ordem. Ou seja, é denominada de equação linear de 1ª ordem. Sendo , dividindo esta igualdade por , podemos reescrever a equação linear como Para determinar soluções de uma equação linear, utilizamos o método do fator integrante. Este método consiste em multiplicarmos a equação por uma função apropriada, denominada fator de integração, para conseguirmos realizar EDOs Lineares de 1ª OrdemEDOs Lineares de 1ª Ordem e Homogêneas de 2ªe Homogêneas de 2ª OrdemOrdem (x) + (x) +. . . + (x) y = g (x)an dny dxn a(n−1) yd(n−1) dx(n−1) a0 , , . . . , a0 a1 an g x n = 1 (x) + (x) y = g (x)a1 dy dx a0 (x) ≠ 0a1 (x)a1 + P (x) y = f (x) . dy dx μ (x) uma integração. Como veremos no exemplo abaixo , onde é identi�cado escrevendo a equação linear na forma Por exemplo, considere a equação linear . Dividindo todos os termos por , obtemos . Este é o primeiro passo para resolver uma equação linear. Identi�cando , com o passo anterior, o segundo passo, consiste em determinar o fator de integração . Neste exemplo, e No próximo passo, multiplicamos o fator de integração na equação, logo . Observe que Isso sempre ocorre quando determinamos e multiplicamos corretamente o fator de integração na equação. Com isso, reescrevemos como O último passo, consiste em integrar ambos os lado da igualdade obtida, isto é, μ (x) = e P(x) dx∫ P (x) + P (x) y = f (x) . dy dx x − 4y = dy dx x6ex (x) = xa1 − y = dy dx 4 x x5ex P (x) e P(x) dx∫ P (x) dx = − dx = −4ln |x|∫ ∫ 4x = = =e P(x) dx∫ e−4ln|x| eln x −4 x−4 − y =x−4 dy dx 4 x5 xex [ y] = − y. d dx x−4 x−4 dy dx 4 x5 − y =x−4 dy dx 4 x5 xex [ y] = x . d dx x−4 ex . Como o cálculo integral e o cálculo diferencial são processos inversos, . Donde, concluímos ou, equivalentemente é a solução geral de . [ y] dx = x dx∫ d dx x−4 ∫ ex [ y] dx = y∫ d dx x−4 x−4 y = x − + Cx−4 ex ex y = − + C ,x5ex x4ex x4 x − 4y = dy dx x6ex Agora, considere a equação diferencial de segunda ordem da forma , 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 saiba mais Saiba mais Como mencionamos no primeiro tópico desta unidade, uma equação 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 uma equação linear, logo, seu método de resolução, consiste no método apresentado acima para equações lineares. Por exemplo, equações da forma são equações diferenciais ordinárias não-lineares conhecidas com a nomenclatura Equação de Bernoulli. Realizando a substituição , transformamos uma Equação de Bernoulli em uma equação linear. Para ver outros exemplos de equações não lineares que podem ser transformadas em equações lineares, acesse o artigo completo. Fonte: Elaborado pelo autor. ACESSAR + M (x) y = N (x) dy dx yn z = y1−n a + b + c y = 0 d y2 dx2 dy dx http://www.uel.br/projetos/matessencial/superior/pdfs/edo.pdf de 2ª ordem é uma equação linear de 2ª ordem com coe�cientes e e , para todo . Prosseguindo com o método de resolução que acabamos de estudar para as equações lineares de 1ª ordem, se é constante, concluímos que a equação possui a solução exponencial em . Logo, é intuitivo imaginar que a equação homogênea de 2ª ordem possui uma solução similar. Considerando uma solução da forma para a equação , temos que e : ou Mas, , para todo . Então, para ser solução da equação homogênea de 2ª ordem com coe�cientes constantes, é necessário que seja raiz de . 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 possuir raízes reais e distintas, digamos e , temos duas soluções para em , dadas por e . Então, neste caso, a solução geral é dada por . Se possuir raízes reais iguais, ou seja, , teremos somente uma solução para em e, a solução geral será dada por . Por �m, se possuir raízes complexas conjugadas, temos que e , sendo e números reais. As soluções gerais neste caso são análogas as soluções gerais de quando a equação (x) = a, (x) = ba2 a1 (x) = ca0 g (x) = 0 x (x) = aa0 + ay = 0 dy dx y = ce−ax (−∞, ∞) y = emx a + b + c y = 0 d y2 dx2 dy dx = m y′ emx = my′′ 2emx a + b + c y = (am + bm + c) = 0 ⇒ = 0d y 2 dx2 dy dx emx 2 emx am + bm + c = 0.2 ≠ 0emx x y = emx m am + bm + c = 02 am + bm + c = 02 m1 m2 a + b + c y = 0 d y2 dx2 dy dx (−∞, ∞) =y1 e xm1 =y2 e xm2 y = +C1e xm1 C2e xm2 am + bm + c = 02 =m1 m2 y = e xm1 a + b + c y = 0 d y2 dx2 dy dx (−∞, ∞) y = +C1e xm1 C2e xm1 am + bm + c = 02 = α + iβm1 = α − iβm2 α β quadrática possui duas raízes reais, ou seja, . Utilizando a igualdade reescrevemos a solução geral da equação em como . Considere a equação homogênea de 2ª ordem dada por . Neste caso, e . Então, para obter a solução geral desta equação, precisamos determinar as raízes da equação quadrática , isto é, Resolvendo esta equação quadrática, obtemos que suas raízes são números complexos conjugados dados por e Então, pelo que acabamos de ver, a solução geral de no intervalo é dada por 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 y = +C1e(α+iβ)x C2e(α−iβ)x = cos θ + isenθ.eiθ a + b + c y = 0 d y2 dx2 dy dx (−∞, ∞) y = ( cos β x + sen β x)eαx C1 C2 + + y = 0 d y2 dx2 dy dx a = 1, b = 1 c = 1 am + bm + c = 02 m + m + 1 = 0.2 = − + im1 1 2 3√ 2 = − + i.m2 1 2 3√ 2 + + y = 0 d y2 dx2 dy dx (−∞, ∞) y = ( cos x + sen x) .e−x/2 C1 3 –√ 2 C2 3 –√ 2 Com base no que aprendemos neste tópico, assinale a alternativa correta. a) A equação é uma equação homogênea de 2ª ordem. b) A equação auxiliar de O possui raízes iguais a 3. c) A solução geral de é dada por d) Temos que é a solução geral e) As equações e não possuem nenhuma solução em comum. 2 − 5 − 3y = 0 e − 3y = 0.y′′ y′ y′ − 3y = 0 y ′ 2 − 5 − 3y = 0y ′′ y ′ − 3y = 0 y ′ y = 3x + C. y = +C1 e −x/2 C2e 3x 2 − 5 − 3y = 0.y ′′ y ′ 2 − 5 − 3y = 0y ′′ y ′ − 3y = 0y ′ Como emdiversas 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: Um objeto de massa m é projetado sobre a terra em uma direção perpendicular. Considerando sua velocidade inicial igual a 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. Aplicações das EquaçõesAplicações das Equações Diferenciais OrdináriasDiferenciais Ordinárias v0 Vamos considerar o semi eixo positivo dos apontando para fora do centro da Terra no decorrer da linha de movimento. Então, corresponde a superfície da Terra. Denotando por o raio da Terra, temos que a força gravitacional agindo no objeto é dada por onde é uma constante. Mas, sabemos que devido a gravidade no nível do mar, para temos que , onde é a aceleração. Logo , isto é, . Desconsiderando outras forças agindo sobre o objeto, a equação de movimento é dada por com condição inicial Considerando como variável independente, podemos reescrever a equação do movimento como ou ainda, 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 x x = 0 R w (x) = − , k (x+R)2 k x = 0 w (0) = − mg g k = mgR2 w (x) = − mgR2 (x + R) 2 m = − dv dt mgR2 (x + R) 2 v (0) = .v0 x v = − dv dx gR2 (x + R) 2 v dv = − dx gR2 (x + R) 2 De , temos Substituindo este valor de na equação acima, temos que a solução da equação do movimento com condição inicial é dada por . Fazendo e obtemos e , que são, respectivamente, a altitude máxima que o objeto alcança e a velocidade inicial necessária para levantar o objeto até a altitude . A velocidade de escape é determinada calculando , ou seja, O valor numérico de é aproximadamente km/s. Aplicação das Equações Lineares Em engenharia, a equação com condição inicial em que 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 = + C ⇒ v = 2 + C.v 2 2 gR2 R+x 2 gR 2 R+x = v (0)v0 = 2 + C ⇒ = 2gR + C ⇒ C = − 2gR.v02 gR2 R v0 2 v0 2 C = v (0)v0 v = ± − 2gR +v02 2gR2 R+x − −−−−−−−−−−−−− √ v = 0 x = ε ε = Rv0 2 2gR−v02 =v0 2gR ε R+ε − −−−−−− √ ε ve lim ε→∞ 2gR ε R+ε − −−−−−− √ = .ve lim ε→∞ 2gR =ε R+ε − −−−−−−−− √ 2gR− −−−√ ve 11, 1 = kx dx dt x ( ) =t0 x0 k quantidade remanescente de uma substância que está sendo desintegrada através de radioatividade. Por exemplo, considere que um corpo está inicialmente com a temperatura . Uma hora depois, para , a temperatura passa a ser . 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 com condição inicial . Como é uma equação linear de 1ª ordem, seu fator de integração é dado por . Então, Mas, para donde . Com isso, . Por outro lado, para , , isto é, Portanto, a solução é dada pela expressão e, como desejamos a terça parte da temperatura, o que implica que isto ocorre em horas. praticar V P ti T0 t = 1 34 T0 = kTdT dt T (0) = T0 − kT = 0 dT dt e (−k)dt∫ − kT = 0 ⇒ − kT = 0 ⇒ [ T ] = 0 ⇒ T (t) = C . dT dt e−kt dT dt e−kt d dt e−kt ekt t = 0 T (0) = T0 = CT0 T (t) = T0ekt t = 1 =34 N0 N0e k = ⇒ k = ln ( ) ≃ − 0, 2877.3 4 e k 3 4 T (t) = T0e−0,2877t =1 3 T0 T0e −0,2877 t t ≃ 3, 82 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 de um corpo em resfriamento é proporcional à diferença entre a temperatura do corpo e a temperatura constante do meio ambiente, ou seja, onde 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 T (t) Tm = k (T − ) , dT dt Tm k 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.