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MAT 2456 RESUMO -‐ EQUAÇÕES DIFERENCIAIS _______________________________________________________________________________ 1 EQUAÇÕES DIFERENCIAIS § Soluções constantes de equações de variáveis separáveis: dy dx = g(x).h(y) se y(x) = a Solução constante: h(y) = 0 § Soluções não constantes de equações de variáveis separáveis: y ' = dy dx = g(x).h(y) ⇒ dy h(y) = g(x).dx dy h(y)∫ = g(x).dx∫ ⇒ H(y) = G(x) +K Onde: H(y) e G(x) são as respectivas primitivas de h(y) e g(x). K: cte real. § Seja uma equação diferencial de primeira ordem: dy dx + p(x).y = g(x) ou dy dx = -p(x).y + g(x) ou +p(x).y - g(x)!" #$dx + 1dy = 0 Método prático para resolução de equação diferencial de primeira ordem: 1-‐ Colocar a equação na forma padrão: dy dx + p(x).y = g(x) 2-‐ Calcular o “fator integrante“: ∂P ∂y − ∂Q ∂x # $ % & ' ( P = p(x) ⇒ e p(x)dx∫ MAT 2456 RESUMO -‐ EQUAÇÕES DIFERENCIAIS _______________________________________________________________________________ 2 3-‐ Multiplicar todos os termos da equação na forma padrão pelo “fator integrante”: e p(x)dx∫ . dy dx + e p(x)dx∫ .p(x).y = e p(x)dx∫ .g(x) Utilizando a Regra do Produto (derivada do primeiro vezes o Segundo mais a derivada do Segundo vezes o primeiro) temos: d dx e p(x)dx∫ .y( ) = e p(x)dx∫ .g(x) 4-‐ Integra-‐se a equação: d dx e p(x)dx∫ .y( )∫ = e p(x)dx∫ .g(x)∫ dx 5-‐ Isola-‐se o y e a solução da equação é: y = e − p(x)dx∫ . g(x).e p(x)dx∫ dx + C∫#$% & '( , C ∈ R § Seja um equação de Bernoulli: dy dx = f (x).y + g(x).yα ,α (cte) ≠0 § Soluções da equação de Bernoulli são dadas por: Se α > 0: solução constante: y(x) = 0 § Soluções não constantes: 1-‐ multiplicar os dois membros por: y –α 2-‐ mudança de variável: u = y 1-‐α Resolver como uma equação linear de primeira ordem. MAT 2456 RESUMO -‐ EQUAÇÕES DIFERENCIAIS _______________________________________________________________________________ 3 § Transformando uma equação y x em uma equação de variáveis separáveis: dy dx = f y x ! " # $ % & , u = y x ⇒ y = x.u derivando: dy dx = u + x.du dx substituindo, tem-‐se: u + x.du dx = f (u) § Redução de 2a ordem para 1a ordem: d2y dx2 = F y, dy dx ! " # $ % & utilizando: v = dy dx , v ≠ 0 obtém-‐se: v dv dy = d2y dx2 substituindo, tem-‐se: v dv dy = F(y,v) que é de 1a ordem. § Soluções para equação diferencial exata: Seja: P(x, y) dx + Q(x, y) dy = 0 , se for exata ⇒ ∃ uma função ϕ = ϕ (x,y) tal que: ∂ϕ ∂x =P(x,y) e ∂ϕ ∂y =Q(x,y) e as soluções da equação serão dadas por: ϕ( x,y) = C ,C ∈R Método para descobrir a função ϕ = ϕ (x,y): Seja: ∂ϕ ∂x =P(x,y) ∂ϕ ∂y =Q(x,y) # $ % % & % % integra-‐se a primeira em relação a x: ϕ = P ( x,y) dx∫ + K (y) MAT 2456 RESUMO -‐ EQUAÇÕES DIFERENCIAIS _______________________________________________________________________________ 4 Para obter-‐se a constante K (y) deriva-‐se o segundo membro em relação a y e iguala-‐se a Q (x,y) !!! Obs: pode-‐se começar pela segunda equação também !!! Vale lembrar que a integração é em relação a y e ao derivar o segundo membro deve-‐se igualar a P(x,y). § Fator integrante (caso a equação diferencial não seja exata): Seja: P(x, y) dx + Q(x, y) dy = 0 Se: ∂Q(x,y) ∂x − ∂P(x,y) ∂y # $ % & ' ( Q(x,y) = h(x) ⇒ fator integrante : u(x) = e − h(x)dx∫ Se: ∂Q(x,y) ∂x − ∂P(x,y) ∂y # $ % & ' ( P(x,y) = f (x) ⇒ fator integrante : u(y) = e + f (y)dy∫ Após o cálculo do fator integrante, multiplica-‐se a equação inteira pelo valor encontrado: u(x).P(x,y)dx + u(x).Q(x,y)dy = 0 ou u(y).P(x,y)dx + u(y).Q(x,y)dy=0 Resolva como uma equação diferencial exata encontrando a função ϕ e igualando a uma constante C qualquer pertencenteaos R. Solução final: ϕ( x,y) = C ,C ∈R MAT 2456 RESUMO -‐ EQUAÇÕES DIFERENCIAIS _______________________________________________________________________________ 5 § Equações Diferenciais de Ordem Superior Seja uma equação diferencial da forma: A d 4y dx4 + B d 3y dx3 + C d 2y dx2 + D dy dx + Ey = 0 Para resolver uma equação diferencial na forma acima, vamos usar o polinômio característico abaixo: Aλ4 + Bλ3 + Cλ2 + Dλ + E = 0 As raízes do polinômio formarão a solução da equação diferencial: CASO 1: Se as raízes forem distintas (λ1 ≠ λ2 ≠ λ3 ≠ λ4): y = C1e λ1x +C2e λ2x +C3e λ3x +C4e λ4x Cn ∈ R CASO 2: Se uma raiz apresentar multiplicidade (2 ou maior), as componentes da solução devem ser linearmente independentes (LI): Exemplo: Se -‐2 é raiz de multiplicidade 4 (λ1 = λ2 = λ3 = λ4 = −2) de uma equação diferencial qualquer então a solução será: y = C1e -2x +C2xe -2x +C3x 2e-2x +C4x 3e-2x Cn ∈ R MAT 2456 RESUMO -‐ EQUAÇÕES DIFERENCIAIS _______________________________________________________________________________ 6 Exemplo: encontre a solução da equação diferencial a seguir: y'''− 5y''+ 3y'+ 9y = 0 O polinômio característico da equação associada é: λ3 - 5λ2 + 3λ + 9 = 0 As raízes do polinômio são: (λ+ 1)(λ−3)2 = 0 ⇒ λ = −1 e λ = 3 A solução da equação diferencial é: y = C1e -x +C2e 3x +C3xe 3x Cn ∈ R CASO 3: Se as raízes do polinômio característico forem complexas: Se um número complexo na forma ( a + bi ) for raiz do polinômio característico então seu conjugado ( a – bi ) também o será !!! A solução será dada por: y = C1 e ax cos(bx) + C2 e ax sen(bx) Cn ∈ R Exemplo: encontre a solução da equação diferencial: y''' + 4y'' + 4y = 0 λ4 +4λ2 +4=0 ⇒ (λ2+2)2 =0 λ=±2i (m=2) Primeiro ponto importante: lembrar que λ = ± 2i = 0a ± 2i Segundo ponto importante: lembrar que a multiplicidade é 2 e as soluções devem ser LI. Montando a solução: y = C1 e 0x cos(2x) + C2 e 0x sen(2x) + C3 e 0x xcos(2x) + C4 e 0x xsen(2x) Podemos simplificar o termo da exponencial e assim a solução da equação diferencial é: y = C1cos(2x) + C2 sen(2x) + C3 xcos(2x) + C4 x sen(2x) Cn ∈ R MAT 2456 RESUMO -‐ EQUAÇÕES DIFERENCIAIS _______________________________________________________________________________ 7 § Casos Especiais de Equações Diferenciais de Ordem Superior CASO A Seja uma equação diferencial qualquer e dada uma de suas soluções como achar a solução geral ??? Se y1 for a solução, então: y2 = u(x) . y1 Calcular com y2 todas as derivadas que aparecem na equação e substituir. Simplificar e achar a u(x). Com a u(x) calcular a y2 e montar a solução: y = C1y1 + C2y2 CASO B Seja uma equação diferencial qualquer não homagênea: A d 2y dx2 + B dy dx + Cy = g(x) ou A y '' + By' + Cy = g(x) Observação: A, B e C podem, ou não, ser função de x !!! A solução dessa equação será uma composição da homogênea associada mais a solução particular: y = yh + yp A solução homogênea será dada por: yh = C1eλ1x + C2eλ2x Se as raízes forem distintas, caso contrário verificar os outros casos !!! MAT 2456 RESUMO -‐ EQUAÇÕES DIFERENCIAIS _______________________________________________________________________________ 8 A solução particular será dada pelo Método da Variação dos Parâmetros (MVP) que é descrito a seguir: Observação: O MVP só pode ser aplicado se o coeficiente da maior derivada da equação diferencial não homagênea for unitário (no exemplo: se A é igual a 1). Observação 2: Se o coeficiente não for unitário deve-‐se divider os dois membros da equação por ele, de forma que o coeficiente da maior derivada da equação seja unitário. (no exemplo: deve-‐se divider os dois lados por A e a equação resultante é mostrada abaixo).d2y dx2 + B A dy dx + C A y = g(x) A ou y '' + B A y' + C A y = g(x) A Passo 1: montar o sistema a partir da solução: yh = C1eλ1x + C2eλ2x C1 ' .(eλ1x ) +C2 ' .(eλ2x ) = 0 C1 ' .(eλ1x ) +C2 ' .(eλ2x ) = g(x) " # $ %$ ou e λ1x eλ2x (eλ1x ) ' (eλ2x ) ' & ' ( ( ) * + + . C1 ' C2 ' & ' ( ( ) * + + = 0 g(x) & ' (( ) * ++ Observação: o símbolo ’ significa a derivada em relação a x. Passo 2: resolver o sistema e achar as constantes C1 e C2. C1 ' = −C2 ' .(e λ2x ) (eλ1x ) C1 ' .(eλ1x ) ' +C2 ' .(eλ2x ) ' = g(x) # $ %% & % % Substituir a primeira equação na segunda e encontrar C1 ' e C2 ' , integrar as duas constantes em x. Com as constantes determinadas, substituí-‐las na yh e encontrar a yp do problema. Passo 3: Montar a solução geral dada por: y = yh + yp y =C1.e λ1x +C2 .e λ2x + yp MAT 2456 RESUMO -‐ EQUAÇÕES DIFERENCIAIS _______________________________________________________________________________ 9 CASO C Seja uma equação diferencial qualquer não homogênea. A d 2y dx2 + B dy dx + Cy = g(x) + h(x) ou A y '' + By' + Cy = g(x) + h(x) Observação: A, B e C quaisquer podem ou não ser função de x !!! Se g(x) e h(x) forem funções de tipos diferentes (por exemplo: g(x) for um polinômio dependente de x e h(x) for uma exponencial dependente de x) a solução geral dessa equação será dada por: y = yh + yp1 + yp2 Onde: yh: equação homogênea associada yp1: equação particular 1, referente a g(x) yp2: equação particular 2, referente a h(x) Passo 1: Encontrar a solução homogênea yh como descrito anteriormente. Passo 2: Se g(x) for um polinômio de grau n testar um polinômio de grau n como solução: y p1=Ax n + Bxn-1 +...+Zx0 =Axn +Bxn-1 +...+Z Calcular as derivadas dessa solução que aparecem na equação e substituir: A y''+By'+Cy= g(x) Encontrar as constants do polinômio testado A, B, … , Z e montar a solução yp1. MAT 2456 RESUMO -‐ EQUAÇÕES DIFERENCIAIS _______________________________________________________________________________ 1 0 Passo 3: Se h(x) for uma função exponencial testar uma exponencial de mesmo grau multiplicada por uma constant e por x elevado a maior potência do polinômio característico: yp2 =A x 2 ex Calcular as derivadas dessa solução que aparecem na equação e, em seguida, substituí-‐las na equação: A y''+By'+Cy= h(x) Encontrar a constante da função testada e montar a solução yp2. Passo 4: Montar a solução final: y = yh + yp1 + yp2
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