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Equac¸o˜es Diferenciais: Equac¸o˜es Lineares de Ordem Superior Prof. Me. Elianderson Santos 3 de Maio de 2018 Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: Problema de Valor Inicial Para uma equac¸a˜o linear de ordem n, o problema Resolva: an(x) dny dxn +an−1(x) dn−1y dxn−1 +· · ·+a1(x)dy dx +a0(x)y = g(x) Sujeita a: y(x0) = c0, y ′(x0) = c1, · · · , yn−1(x0) = cn−1 (1) em que c0, c1, c2, · · · , cn−1 sa˜o constantes arbitra´rias, e´ chamado de problema de valor inicial. Os valores y(x0) = c0, y ′(x0) = c1, · · · , yn−1(x0) = cn−1 sa˜o chamados de condic¸o˜es iniciais. Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: Problema de Valor Inicial Exemplo: Verifique que a func¸a˜o y = 3e2x + e−2x − 3x e´ soluc¸a˜o para o problema de valor inicial y ′′ − 4y = 12x , y(0) = 4, y ′(0) = 1. De fato, y ′′ − 4y = d2 dx2 (3e2x + e−2x − 3x)− 4 · (3e2x + e−2x − 3x) = 12e2x + 4e−2x − 12e2x − 4e−2x + 12x = 12x . e, ale´m disso, y(0) = 3e0 + e0 − 3 · 0 = 4 e y ′(0) = 6e0 − 2e0 − 3 = 1. Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: Problema de Valor Inicial Exemplo: Verifique que a func¸a˜o y = 3e2x + e−2x − 3x e´ soluc¸a˜o para o problema de valor inicial y ′′ − 4y = 12x , y(0) = 4, y ′(0) = 1. De fato, y ′′ − 4y = d2 dx2 (3e2x + e−2x − 3x)− 4 · (3e2x + e−2x − 3x) = 12e2x + 4e−2x − 12e2x − 4e−2x + 12x = 12x . e, ale´m disso, y(0) = 3e0 + e0 − 3 · 0 = 4 e y ′(0) = 6e0 − 2e0 − 3 = 1. Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: Existeˆncia de uma u´nica soluc¸a˜o O teorema a seguir fornece condic¸o˜es suficientes para a existeˆncia de soluc¸o˜es para (1). Teorema Sejam an(x), an−1(x), · · · , a1(x), a0(x) e g(x) func¸o˜es cont´ınuas em uma intervalo I com an(x) 6= 0 para todo x ∈ I . Se x = x0 e´ algum ponto de I , enta˜o existe uma u´nica soluc¸a˜o y(x) para o problema de valor inicial (1) neste intervalo. Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: Problema de valor de contorno Um outro tipo de problema consiste em resolver uma equac¸a˜o diferencial de ordem dois ou maior na qual a varia´vel dependente y ou suas derivadas sa˜o especificadas em pontos diferentes. O problema em questa˜o e´ o seguinte: Resolva: a2(x) d2y dx2 + a1(x) dy dx + a0(x)y = g(x) Sujeita a y(a) = c0, y(b) = c1 Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: Problema de valor de contorno Esse problema e´ chamado de problema de valor de contorno. Os valores especificados sa˜o chamados de condic¸o˜es de contorno. Uma soluc¸a˜o para o problema em questa˜o e´ uma func¸a˜o que satisfac¸a a equac¸a˜o diferencial em algum intervalo I e cujo gra´fico passa pelos pontos (a, c0) e (b, c1). Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: Problema de valor de contorno Exemplo: No intervalo (0,∞), a func¸a˜o y = 3x2 − 6x + 3 e´ uma soluc¸a˜o do problema de valor de contorno x2y ′′ − 2xy ′ + 2y = 6, y(1) = 0, y(2) = 3. De fato, x2y ′′ − 2xy ′ + 2y = x2 · 6− 2x · (6x − 6) + 2 · (3x2 − 6x + 3) = 6x2 − 12x2 + 12x + 6x2 − 12x + 6 = 6. Ale´m disso, y(1) = 3− 6 + 3 = 0 e y(2) = 12− 12 + 3 = 3. Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: Problema de valor de contorno Exemplo: No intervalo (0,∞), a func¸a˜o y = 3x2 − 6x + 3 e´ uma soluc¸a˜o do problema de valor de contorno x2y ′′ − 2xy ′ + 2y = 6, y(1) = 0, y(2) = 3. De fato, x2y ′′ − 2xy ′ + 2y = x2 · 6− 2x · (6x − 6) + 2 · (3x2 − 6x + 3) = 6x2 − 12x2 + 12x + 6x2 − 12x + 6 = 6. Ale´m disso, y(1) = 3− 6 + 3 = 0 e y(2) = 12− 12 + 3 = 3. Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: Dependeˆncia e Independeˆncia Linear Definic¸a˜o (Dependeˆncia Linear) Dizemos que um conjunto de func¸o˜es f1(x), f2(x), f3(x), · · · , fn(x) e´ linearmente dependente em um intervalo I se existem constantes a1, a2, a3, · · · , an na˜o todas nulas tais que a1f1(x) + a2f2(x) + a3f3(x) + · · · anfn(x) = 0 para todo x ∈ I . Definic¸a˜o (Independeˆncia Linear) Dizemos que um conjunto de func¸o˜es f1(x), f2(x), f3(x), · · · , fn(x) e´ linearmente independente em um intervalo I se ele na˜o e´ linearmente dependente no intervalo. Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: Dependeˆncia e Independeˆncia Linear Definic¸a˜o (Dependeˆncia Linear) Dizemos que um conjunto de func¸o˜es f1(x), f2(x), f3(x), · · · , fn(x) e´ linearmente dependente em um intervalo I se existem constantes a1, a2, a3, · · · , an na˜o todas nulas tais que a1f1(x) + a2f2(x) + a3f3(x) + · · · anfn(x) = 0 para todo x ∈ I . Definic¸a˜o (Independeˆncia Linear) Dizemos que um conjunto de func¸o˜es f1(x), f2(x), f3(x), · · · , fn(x) e´ linearmente independente em um intervalo I se ele na˜o e´ linearmente dependente no intervalo. Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: Dependeˆncia e Independeˆncia Linear Wronskiano Teorema (Crite´rio para Independeˆncia Linear de Func¸o˜es) Suponha que f1(x), f2(x), f3(x), · · · , fn(x) sejam diferencia´veis pelo menos n − 1 vezes. Se o determinante W (f1(x), f2(x), · · · , fn(x)) = ∣∣∣∣∣∣∣∣ f1 f2 · · · fn f ′1 f ′ 2 · · · f ′n : : : : f (n−1) 1 f (n−1) 2 · · · f (n−1)n ∣∣∣∣∣∣∣∣ for diferente de zero em pelo menos um ponto do intervalo I , enta˜o as func¸o˜es f1(x), f2(x), f3(x), · · · , fn(x) sera˜o linearmente independentes no intervalo. Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: Dependeˆncia e Independeˆncia Linear Wronskiano O determinante anterior e´ denominado Wronskiano das func¸o˜es f1(x), f2(x), f3(x), · · · , fn(x). Existe tambe´m um resultado que e´ consequeˆncia direta do teorema anterior: Teorema Se f1(x), f2(x), f3(x), · · · , fn(x) possuem pelo menos n − 1 derivadas e sa˜o linearmente dependentes enta˜o W (f1(x), f2(x), · · · , fn(x)) = 0 para todo x no intervalo. Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: Dependeˆncia e Independeˆncia Linear Wronskiano Exemplo: As func¸o˜es f1(x) = sen2 x e f2(x) = 1− cos(2x) sa˜o linearmente dependentes no intervalo (−∞,∞). De fato, temos que W (f1(x), f2(x)) = ∣∣∣∣ sen2 x 1− cos(2x)2 · sen x cos x 2 · sen (2x) ∣∣∣∣ = ∣∣∣∣ sen2 x 2 · sen2 xsen(2x) 2 · sen (2x) ∣∣∣∣ = 2 · sen2 x · sen (2x)− 2 · sen2 x · sen (2x) = 0 para todo x ∈ (−∞,∞). Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: Dependeˆncia e Independeˆncia Linear Wronskiano Exemplo: As func¸o˜es f1(x) = e2x e f2(x) = e3x sa˜o linearmente independentes no intervalo (−∞,∞). De fato, temos que W (f1(x), f2(x)) = ∣∣∣∣ e2x e3x2e2x 3e3x ∣∣∣∣ = 3e5x − 2e5x = e5x 6= 0 para todo x ∈ (−∞,∞). Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: Equac¸o˜es homogeˆneas e na˜o-homogeˆneas Uma equac¸a˜o diferencial linear de ordem n da forma an(x) dny dxn + an−1(x) dn−1y dxn−1 + · · ·+ a1(x)dy dx + a0(x)y = 0 (2) e´ chamada homogeˆnea, enquanto que uma equac¸a˜o da forma an(x) dny dxn + an−1(x) dn−1y dxn−1 + · · ·+ a1(x)dy dx + a0(x)y = g(x) (3) com g(x) na˜o identicamente zero, e´ chamada de na˜o-homogeˆnea. Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: Equac¸o˜es homogeˆneas e na˜o-homogeˆneas Exemplos: 1) A equac¸a˜o 2y ′′ + 3y ′ − 5y = 0 e´ uma equac¸a˜o diferencial ordina´ria linear de segunda ordem homogeˆnea. 2) A equac¸a˜o x3y ′′′ + 2xy ′′ − 5y ′ + 6y = ex e´ uma equac¸a˜o diferencial ordina´ria linear de terceira ordem na˜o-homogeˆnea. Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: Equac¸o˜es homogeˆneas e na˜o-homogeˆneas Exemplos: 1) A equac¸a˜o 2y ′′ + 3y ′ − 5y = 0 e´ uma equac¸a˜o diferencial ordina´ria linear de segunda ordem homogeˆnea. 2) A equac¸a˜o x3y ′′′ + 2xy ′′ − 5y ′ + 6y = ex e´ uma equac¸a˜o diferencialordina´ria linear de terceira ordem na˜o-homogeˆnea. Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: Princ´ıpio de Superposic¸a˜o - Equac¸o˜es Homogeˆneas Teorema (Princ´ıpio de Superposic¸a˜o - Equac¸o˜es Homogeˆneas) Sejam y1, y2, · · · , yk soluc¸o˜es para a equac¸a˜o diferencial linear de n−e´sima ordem homogeˆnea (2) em um intervalo I . Enta˜o, a combinac¸a˜o linear y = c1y1(x) + c2y2(x) + c3y3(x) + · · ·+ ckyk(x) (4) em que c1, c2, c3, · · · , ck sa˜o constantes arbitra´rias, e´ tambe´m uma soluc¸a˜o no intervalo. Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: Princ´ıpio de Superposic¸a˜o - Equac¸o˜es Homogeˆneas Corola´rio (1) Um mu´ltiplo y = c1y1(x) de uma soluc¸a˜o y1(x) para uma equac¸a˜o diferencial linear homogeˆnea e´ tambe´m um soluc¸a˜o. Corola´rio (2) Uma equac¸a˜o diferencial linear homogeˆnea sempre possui a soluc¸a˜o trivial y = 0. Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: Crite´rio para Independeˆncia Linear de Soluc¸o˜es Teorema (Crite´rio para Independeˆncia Linear de Soluc¸o˜es) Sejam y1, y2, · · · , yn n soluc¸o˜es para a equac¸a˜o diferencial linear de n−e´sima ordem homogeˆnea (2) em um intervalo I . Enta˜o, o conjunto de soluc¸o˜es e´ linearmente independente em I se e somente se W (y1, y2, · · · , yn) 6= 0 para todo x no intervalo. Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: Conjunto Fundamental de Soluc¸o˜es Definic¸a˜o (Conjunto Fundamental de Soluc¸o˜es) Qualquer conjunto {y1, y2, · · · , yn} de n soluc¸o˜es linearmente independentes para a equac¸a˜o diferencial linear de n−e´sima ordem homogeˆnea (2) em um intervalo I e´ chamado de conjunto fundamental de soluc¸o˜es no intervalo. Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: Equac¸o˜es Homogeˆneas Teorema Sejam y1, y2, · · · , yn n soluc¸o˜es linearmente independentes para a equac¸a˜o diferencial linear de n−e´sima ordem homogeˆnea (2) em um intervalo I . Enta˜o, toda soluc¸a˜o Y (x) para (2) e´ uma combinac¸a˜o linear das n soluc¸o˜es independentes y1, y2, · · · , yn, ou seja, existem constantes C1,C2, · · · ,Cn tais que Y = C1y1(x) + C2y2(x) + · · ·+ Cnyn(x) Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: Soluc¸a˜o Geral - Equac¸o˜es Homogeˆneas Definic¸a˜o (Soluc¸a˜o Geral - Equac¸o˜es Homogeˆneas) Sejam y1, y2, · · · , yn n soluc¸o˜es linearmente independentes para a equac¸a˜o diferencial linear de n−e´sima ordem homogeˆnea (2) em um intervalo I . A soluc¸a˜o geral para a equac¸a˜o no intervalo e´ definida por y = c1y1(x) + c2y2(x) + · · ·+ cnyn(x), em que os ci , i = 1, 2, · · · , n sa˜o constantes quaisquer. Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: Soluc¸a˜o Geral - Equac¸o˜es Homogeˆneas Exemplo Exemplo: A equac¸a˜o de segunda ordem y ′′ − 9y = 0 possui duas soluc¸o˜es y1 = e 3x e y2 = e −3x . Note que W (y1, y2) = ∣∣∣∣ e3x e−3x3e3x −3e−3x ∣∣∣∣ = −6 6= 0 para todo x ∈ (−∞,∞). Logo, y1 e y2 formam um conjunto fundamental de soluc¸o˜es da equac¸a˜o no intervalo (−∞,∞) e a soluc¸a˜o geral e´ y = c1e 3x + c2e −3x . Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: Equac¸o˜es Na˜o-homogeˆneas No caso das equac¸o˜es na˜o-homogeˆneas, qualquer func¸a˜o yp, independente de paraˆmetros, que satisfac¸a (3) e´ chamada de soluc¸a˜o particular para a equac¸a˜o. Veremos a seguir que para encontrar uma soluc¸a˜o geral de uma equac¸a˜o na˜o-homogeˆnea devemos encontrar primeiro uma soluc¸a˜o da equac¸a˜o homogeˆnea associada e uma soluc¸a˜o particular da equac¸a˜o na˜o-homogeˆnea. Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: Equac¸o˜es Na˜o-homogeˆneas Teorema Sejam y1, y2, · · · , yn soluc¸o˜es para a equac¸a˜o diferencial linear de n−e´sima ordem homogeˆnea (2) em um intervalo I e seja yp uma soluc¸a˜o particular para a equac¸a˜o na˜o-homogeˆnea (3) no mesmo intervalo. Enta˜o, y = c1y1(x) + c2y2(x) + · · ·+ cnyn(x) + yp(x) e´ tambe´m uma soluc¸a˜o para a equac¸a˜o na˜o-homogeˆnea no intervalo I para quaisquer constantes c1, c2, · · · , cn. Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: Equac¸o˜es Na˜o-homogeˆneas Teorema Seja yp uma soluc¸a˜o particular para a equac¸a˜o diferencial linear na˜o-homogeˆnea de n-e´sima ordem (3) em um intervalo I e seja {y1, y2, · · · , yn} um conjunto fundamental de soluc¸o˜es para a equac¸a˜o homogeˆnea associada (2) no intervalo. Enta˜o, para qualquer soluc¸a˜o Y (x) de (3) em I , podemos encontrar constantes C1,C2, · · · ,Cn tais que Y = C1y1(x) + C2y2(x) + · · ·+ Cnyn(x) + yp(x). Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: Soluc¸a˜o Geral - Equac¸o˜es Na˜o-homogeˆneas Definic¸a˜o (Soluc¸a˜o Geral - Equac¸o˜es Na˜o-homogeˆneas) Seja yp uma soluc¸a˜o particular para a equac¸a˜o diferencial linear na˜o-homogeˆnea de n-e´sima ordem (3) em um intervalo I e seja yc = c1y1(x) + c2y2(x) + · · ·+ cnyn(x) a soluc¸a˜o geral para a equac¸a˜o homogeˆnea associada (2) no intervalo. A soluc¸a˜o geral para a equac¸a˜o na˜o-homogeˆnea no intervalo e´ definida por y = c1y1(x) + c2y2(x) + · · ·+ cnyn(x) + yp(x) = yc(x) + yp(x). Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: Princ´ıpio de Superposic¸a˜o - Equac¸o˜es Na˜o-homogeˆneas Teorema (Princ´ıpio de Superposic¸a˜o - Equac¸o˜es Na˜o-homogeˆneas) Sejam yp1, yp2, · · · , ypk k soluc¸o˜es particulares para a equac¸a˜o diferencial linear de n−e´sima ordem na˜o-homogeˆnea (3) em um intervalo I , correspondendo a k func¸o˜es distintas g1, g2, · · · , gk . Isto e´, suponha que ypi seja uma soluc¸a˜o particular para a equac¸a˜o diferencial correspondente: an(x)y (n) + an−1(x)y (n−1) + · · ·+ a1(x)y ′ + a0(x)y = gi (x), em que i = 1, 2, · · · , k. Enta˜o, yp = yp1(x) + yp2(x) + · · · ypk(x) e´ uma soluc¸a˜o particular para an(x)y (n) + an−1(x)y (n−1) + · · ·+ a1(x)y ′ + a0(x)y = g1(x) + g2(x) + · · ·+ gk(x). Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: Construindo uma segunda soluc¸a˜o a partir da primeira Considere a equac¸a˜o a2(x)y ′′ + a1(x)y ′ + a0y = 0. Dividindo esta equac¸a˜o por a2(x) obtemos uma equac¸a˜o da forma y ′′ + P(x)y ′ + Q(x)y = 0 (5) em que P e Q sa˜o cont´ınuas em alguma intervalo I . Se y1(x) e´ uma soluc¸a˜o para a equac¸a˜o (5) em I e y1(x) 6= 0 para todo x ∈ I enta˜o y2 = y1(x) ∫ e− ∫ P(x)dx y 21 (x) dx e´ tambe´m soluc¸a˜o de (5) e, ale´m disso, y1(x) e y2(x) sa˜o linearmente independentes. Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: Construindo uma segunda soluc¸a˜o a partir da primeira Considere a equac¸a˜o a2(x)y ′′ + a1(x)y ′ + a0y = 0. Dividindo esta equac¸a˜o por a2(x) obtemos uma equac¸a˜o da forma y ′′ + P(x)y ′ + Q(x)y = 0 (5) em que P e Q sa˜o cont´ınuas em alguma intervalo I . Se y1(x) e´ uma soluc¸a˜o para a equac¸a˜o (5) em I e y1(x) 6= 0 para todo x ∈ I enta˜o y2 = y1(x) ∫ e− ∫ P(x)dx y 21 (x) dx e´ tambe´m soluc¸a˜o de (5) e, ale´m disso, y1(x) e y2(x) sa˜o linearmente independentes. Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: Equac¸o˜es lineares homogeˆneas com coeficientes constantes Equac¸o˜es de segunda ordem Vamos considerar a equac¸a˜o linear de segunda ordem homogeˆnea com coeficientes constantes ay ′′ + by ′ + cy = 0. (6) Para determinar a soluc¸a˜o geral de (6) devemos utilizar a equac¸a˜o auxiliar associada a` equac¸a˜o diferencial (6) am2 + bm + c = 0 (7) para encontrar um conjunto fundamental de soluc¸o˜es. Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: Equac¸o˜es lineares homogeˆneas com coeficientes constantes Equac¸o˜es de segunda ordem A soluc¸a˜o de (6) dependera´ das ra´ızes da equac¸a˜o auxiliar (7), que e´ do segundo grau. As ra´ızes desta equac¸a˜o podem ser ambas reais (distintas ou iguais) ou ambascomplexas. Em cada um dos casos, temos uma soluc¸a˜o geral espec´ıfica para (6). Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: Equac¸o˜es lineares homogeˆneas com coeficientes constantes Equac¸o˜es de segunda ordem - Caso I: Ra´ızes reais e distintas Se a equac¸a˜o auxiliar ay ′′ + by ′ + cy = 0 possui duas soluc¸o˜es reais m1 6= m2 enta˜o y1 = e m1x e y2 = e m2x sa˜o soluc¸o˜es linearmente independentes para (6) e a soluc¸a˜o geral e´ dada por y = c1e m1x + c2e m2x Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: Equac¸o˜es lineares homogeˆneas com coeficientes constantes Equac¸o˜es de segunda ordem - Caso II: Ra´ızes reais iguais Se a equac¸a˜o auxiliar ay ′′ + by ′ + cy = 0 possui uma u´nica soluc¸a˜o real m1 enta˜o y1 = e m1x e y2 = xe m1x sa˜o soluc¸o˜es linearmente independentes para (6) e a soluc¸a˜o geral e´ dada por y = c1e m1x + c2xe m1x Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: Equac¸o˜es lineares homogeˆneas com coeficientes constantes Equac¸o˜es de segunda ordem - Caso III: Ra´ızes complexas conjugadas Se a equac¸a˜o auxiliar ay ′′ + by ′ + cy = 0 possui soluc¸o˜es complexas conjugadas m1 = α + iβ e m2 = α− iβ enta˜o a soluc¸a˜o geral e´ dada por y = eαx(c1 cos(βx) + c2sen(βx)) Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: Equac¸o˜es lineares homogeˆneas com coeficientes constantes Equac¸o˜es de ordem superior No caso geral, para resolver uma equac¸a˜o diferencial de n-e´sima ordem an(x)y (n) + an−1(x)y (n−1) + · · ·+ a1(x)y ′ + a0(x)y = 0 (8) em que os ai , i = 0, 1, 2, · · · sa˜o constantes, devemos resolver a equac¸a˜o equac¸a˜o auxiliar anm n + an−1mn−1 + · · · a2m2 + a1m + a0 = 0 (9) Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: Equac¸o˜es lineares homogeˆneas com coeficientes constantes Equac¸o˜es de ordem superior Se todas as ra´ızes de (9) sa˜o reais e distintas, enta˜o a soluc¸a˜o geral para (8) e´ y = c1e m1x + c2e m2x + · · ·+ cnemnx , (10) onde c1, c2, · · · , cn sa˜o constantes arbitra´rias. Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: Equac¸o˜es lineares homogeˆneas com coeficientes constantes Equac¸o˜es de ordem superior - Equac¸o˜es reais repetidas Quando nem todas as ra´ızes sa˜o reais e distintas, torna-se um pouco mais dif´ıcil resumir casos ana´logos dos Casos I e II das equac¸o˜es de segunda ordem. Pore´m, em termos gerais, deve-se aplicar as seguintes regras: • Quando uma raiz real m1 se repete k vezes, a soluc¸a˜o geral de (8) devera´ conter uma expressa˜o da forma c1e m1x + c2xe m1x + c3x 2em1x + · · ·+ ckxk−1em1x , (11) onde c1, c2, · · · , ck sa˜o constantes arbitra´rias. Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: Equac¸o˜es lineares homogeˆneas com coeficientes constantes Equac¸o˜es de ordem superior - Ra´ızes complexas repetidas • No caso especial de uma raiz complexa m1 = α + iβ ter multiplicidade k (se repete k vezes) enta˜o seu conjugado m2 = α− iβ tambe´m tera´ multiplicidade k e a soluc¸a˜o geral de (8) devera´ conter combinac¸a˜o linear das 2k soluc¸o˜es linearmente independentes eαx cos(βx), xeαx cos(βx), x2eαx cos(βx), · · · , xk−1eαx cos(βx) eαx sen(βx), xeαx sen(βx), x2eαx sen(βx), · · · , xk−1eαx sen(βx) Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: Exerc´ıcios [2], sec¸a˜o 4.1, exerc´ıcio 15 ao 22 (p. 164) [2], sec¸a˜o 4.3, exerc´ıcios ı´mpares desde o 1 ao 35 (p. 180) Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: Refereˆncias 1 CULLEN, Michael R.; ZILL, Dennis G. Equac¸o˜es Diferenciais - Volume 1. 3a Edic¸a˜o. Sa˜o Paulo: Pearson, 2001. 2 ZILL, Dennis G. Equac¸o˜es Diferenciais com Aplicac¸o˜es em Modelagem. 3a Edic¸a˜o. Sa˜o Paulo: Cengage Learning, 2016. Prof. Me. Elianderson Santos Equac¸o˜es Diferenciais: