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1 Equações diferenciais Definição: Chama-se equação diferencial uma expressão que relacione uma função desconhecida 𝑦 = 𝑓(𝑥) com a sua variável 𝑥 e com as suas derivadas 𝑑𝑦 𝑑𝑥 , 𝑑2𝑦 𝑑𝑥2 , 𝑑3𝑦 𝑑𝑥3 , 𝑑4𝑦 𝑑𝑥4 , … , 𝑑𝑛−1𝑦 𝑑𝑥𝑛−1 , 𝑑𝑛𝑦 𝑑𝑥𝑛 É uma expressão que tem a forma 𝑓 (𝑥, 𝑦, 𝑑𝑦 𝑑𝑥 , 𝑑2𝑦 𝑑𝑥2 , 𝑑3𝑦 𝑑𝑥3 , 𝑑4𝑦 𝑑𝑥4 , … , 𝑑𝑛−1𝑦 𝑑𝑥𝑛−1 , 𝑑𝑛𝑦 𝑑𝑥𝑛 ) = 0 Exemplos: 𝑑𝑦 𝑑𝑥 = 5 𝑑𝑦 𝑑𝑥 = 𝑠𝑒𝑛𝑥 𝑑3𝑦 𝑑𝑥3 + 𝑥 𝑑2𝑦 𝑑𝑥2 + 𝑠𝑒𝑛𝑥 𝑑𝑦 𝑑𝑥 + 𝑙𝑛𝑥 = 0 𝑑𝑦 𝑑𝑥 = √1 + 𝑑2𝑦 𝑑𝑥2 + 𝑐𝑜𝑠𝑥 Observação: as equações diferenciais objeto de estudo do curso de Cálculo IV são ordinárias (com derivadas totais – não parciais). Definição: ordem de uma equação diferencial é o grau da derivada de maior grau que nela comparece. Exemplos: 𝑑3𝑦 𝑑𝑥3 + 𝑥 𝑑2𝑦 𝑑𝑥2 + 𝑠𝑒𝑛𝑥 = 0 → ED ordinária de 3ª ordem 𝑑𝑦 𝑑𝑥 + ( 𝑑𝑦 𝑑𝑥 ) 2 = 𝑐𝑜𝑠𝑥 → ED ordinária de 1ª ordem 𝑑2𝑦 𝑑𝑥2 = 𝑎√1 + ( 𝑑𝑦 𝑑𝑥 ) 2 → ED ordinária de 2ª ordem Definição: solução de uma ED é a função 𝑦 = 𝑓(𝑥) que a satisfaça (que a torna uma identidade). Exemplos: 2 1.) 𝑦 = 𝑠𝑒𝑛𝑥 é a solução da ED 𝑑𝑦 𝑑𝑥 − 𝑐𝑜𝑠𝑥 = 0 porque calculando 𝑑𝑦 𝑑𝑥 e substituindo na ED: 0 = 0 2.) 𝑦 = 𝑒𝑥 é solução da ED 𝑑2𝑦 𝑑𝑥2 − 3 𝑑𝑦 𝑑𝑥 + 2𝑦 = 0 pois 𝑦 = 𝑒𝑥 𝑑𝑦 𝑑𝑥 = 𝑒𝑥 𝑑2𝑦 𝑑𝑥2 = 𝑒𝑥} substituindo na ED ⇒ 𝑒𝑥 - 3𝑒𝑥 + 2𝑒𝑥 = 0 ⇒ 0=0 Exercícios: verificar se as funções seguintes são as soluções das ED dadas: 1-) 𝑥𝑦′ = 2𝑦 , 𝑦 = 5𝑥2 2-) (𝑥 + 𝑦)𝑑𝑥 + 𝑥𝑑𝑦 = 0 , 𝑦 = 𝐶2− 𝑥2 2𝑥 3-) 𝑑2𝑥 𝑑𝑡2 +𝑤2𝑥 = 0, 𝑥 = 𝐶1𝑐𝑜𝑠𝑤𝑡 + 𝐶2𝑠𝑒𝑛𝑤𝑡 (1) Exercicio 3 - solução 𝑑2𝑥 𝑑𝑡2 +𝑤2𝑥 = 0 𝑥 = 𝐶1𝑐𝑜𝑠𝑤𝑡 + 𝐶2𝑠𝑒𝑛𝑤𝑡 (1) Cálculo da derivada de primeira ordem: 𝑑𝑥 𝑑𝑡 = 𝑑 𝑑𝑡 (𝐶1𝑐𝑜𝑠𝑤𝑡 + 𝐶2𝑠𝑒𝑛𝑤𝑡) 𝑑𝑥 𝑑𝑡 = 𝑑 𝑑𝑡 (𝐶1𝑐𝑜𝑠𝑤𝑡) + 𝑑 𝑑𝑡 (𝐶2𝑠𝑒𝑛𝑤𝑡) 𝑑𝑥 𝑑𝑡 = 𝐶1 𝑑 𝑑𝑡 (𝑐𝑜𝑠𝑤𝑡) + 𝐶2 𝑑 𝑑𝑡 (𝑠𝑒𝑛𝑤𝑡) [𝑓(𝑎𝑢)]′ = 𝑎𝑓′(𝑎𝑢) 𝑑𝑥 𝑑𝑡 = 𝐶1(−𝑤𝑠𝑒𝑤𝑡) + 𝐶2(𝑤𝑐𝑜𝑠𝑤𝑡) 𝑑𝑥 𝑑𝑡 = −𝐶1𝑤𝑠𝑒𝑤𝑡 + 𝐶2𝑤𝑐𝑜𝑠𝑤𝑡 Cálculo da derivada de segunda ordem 𝑑2𝑥 𝑑𝑡2 = 𝑑 𝑑𝑡 ( 𝑑𝑥 𝑑𝑡 ) = 𝑑 𝑑𝑡 (−𝐶1𝑤𝑠𝑒𝑤𝑡 + 𝐶2𝑤𝑐𝑜𝑠𝑤𝑡) 3 𝑑2𝑥 𝑑𝑡2 = −𝐶1𝑤 𝑑 𝑑𝑡 (𝑠𝑒𝑛𝑤𝑡) + 𝐶2𝑤 𝑑 𝑑𝑡 (𝑐𝑜𝑠𝑤𝑡) 𝑑2𝑥 𝑑𝑡2 = −𝐶1𝑤(𝑤𝑐𝑜𝑠𝑤𝑡) + 𝐶2𝑤(−𝑤𝑠𝑒𝑛𝑤𝑡) 𝑑2𝑥 𝑑𝑡2 = −𝐶1𝑤 2𝑐𝑜𝑠𝑤𝑡 − 𝐶2𝑤 2𝑠𝑒𝑛𝑤𝑡 (2) Substituindo (1) e (2) na ED, temos: (−𝐶1𝑤 2𝑐𝑜𝑠𝑤𝑡 − 𝐶2𝑤 2𝑠𝑒𝑛𝑤𝑡) + 𝑤2(𝐶1𝑐𝑜𝑠𝑤𝑡 + 𝐶2𝑠𝑒𝑛𝑤𝑡 ) = 0 −𝐶1𝑤 2𝑐𝑜𝑠𝑤𝑡 − 𝐶2𝑤 2𝑠𝑒𝑛𝑤𝑡 + 𝐶1𝑤 2𝑐𝑜𝑠𝑤𝑡 + 𝐶2𝑤 2𝑠𝑒𝑛𝑤𝑡 = 0 Portanto: 0 = 0 Então a função 𝑥 = 𝐶1𝑐𝑜𝑠𝑤𝑡 + 𝐶2𝑠𝑒𝑛𝑤𝑡 satisfaz a ED, ou seja, ela é solução da ED. Existem dois tipos de solução de uma ED: Primeiro tipo: Solução Geral – ela é única e possui constantes, onde o número de constantes é igual à ordem da ED. Segundo tipo: Solução Particular – ela é obtida da solução geral com o conhecimento numérico das constantes mediante as chamadas condições iniciais ou condições de contorno tantas quanto forem as constantes. Exemplo: A ED 𝑑𝑦 𝑑𝑥 = 𝑦 + 𝑥𝑦2 𝑥 Tem solução geral dada por: 𝑦 = − 2𝑥 𝑥2 + 2𝐶 Dada a condição inicial (𝑥, 𝑦) = (1, 1), calcule a sua solução particular Substituindo 𝑥 = 1 e 𝑦 = 1 na solução geral da ED, temos: 1 = − 2.1 12 + 2𝐶 1 = − 2 1 + 2𝐶 1 + 2𝐶 = −2 4 2𝐶 = −2 − 1 = −3 𝐶 = − 3 2 Reescrevendo a solução geral com o valor da constante determinado, temos: 𝑦 = − 2𝑥 𝑥2 + 2(− 3 2) 𝑦 = − 2𝑥 𝑥2 − 3 Expressão esta chamada de solução particular da ED. Equação diferencial ordinária de primeira ordem de variáveis separáveis Definição: é toda ED do tipo 𝑑𝑦 𝑑𝑥 = 𝑓(𝑥) 𝑓(𝑦) Solução: é obtida por integração da ED, fazendo antes a separação das variáveis: 𝑓(𝑦)𝑑𝑦 = 𝑓(𝑥)𝑑𝑥 Integrando ambos os membros: ∫𝑓(𝑦)𝑑𝑦 = ∫𝑓(𝑥)𝑑𝑥 𝐹(𝑦) + 𝐶1 = 𝐹(𝑥) + 𝐶2 𝐹(𝑦) − 𝐹(𝑥) = −𝐶1 + 𝐶2 𝐹(𝑦) − 𝐹(𝑥) = 𝐶3 𝐹(𝑦) − 𝐹(𝑥) = 𝐶 Exercícios: Resolver as seguintes ED: 1.) 𝑥𝑦′ − 𝑦 = 𝑦3 2.) 𝑡𝑔𝑥𝑠𝑒𝑛2𝑦 𝑑𝑥 + 𝑐𝑜𝑠2𝑥𝑐𝑜𝑡𝑔𝑦 𝑑𝑦 = 0 3.) (1 + 𝑒𝑥)𝑦𝑦′ = 𝑒𝑥, quando (𝑥, 𝑦) = (0, 1) Solução: 1.) 𝑥 𝑑𝑦 𝑑𝑥 − 𝑦 = 𝑦3 𝑥 𝑑𝑦 𝑑𝑥 = 𝑦3 + 𝑦 𝑑𝑦 𝑑𝑥 = 𝑦3 + 𝑦 𝑥 5 𝑑𝑦 𝑦3 + 𝑦 = 𝑑𝑥 𝑥 Integrando ambos os membros: ∫ 𝑑𝑦 𝑦3 + 𝑦 = ∫ 𝑑𝑥 𝑥 Resolvendo a integral do primeiro membro: ∫ 𝑑𝑦 𝑦3 + 𝑦 = ∫ 𝑑𝑦 𝑦(𝑦2 + 1) = ∫ 1 𝑦(𝑦2 + 1) 𝑑𝑦 Usando o método das frações parciais: 1 𝑦(𝑦2 + 1) = 𝐴 𝑦 + 𝐵𝑦 + 𝐶 𝑦2 + 1 1 𝑦(𝑦2 + 1) = 𝐴(𝑦2 + 1) + (𝐵𝑦 + 𝐶)𝑦 𝑦(𝑦2 + 1) 1 𝑦(𝑦2 + 1) = 𝐴𝑦2 + 𝐴 + 𝐵𝑦2 + 𝐶𝑦 𝑦(𝑦2 + 1) 1 𝑦(𝑦2 + 1) = 𝑦2(𝐴 + 𝐵) + 𝐶𝑦 + 𝐴 𝑦(𝑦2 + 1) Como os denominadores são idênticos, devemos comparar apenas os numeradores: 1 = (𝐴 + 𝐵)𝑦2 + 𝐶𝑦 + 𝐴 Igualdade de polinômios: Se 𝑝(𝑥) = 𝑎0𝑥 𝑛 + 𝑎1𝑥 𝑛−1 + 𝑎2𝑥 𝑛−2 +⋯+ 𝑎𝑛 e ℎ(𝑥) = 𝑏0𝑥 𝑛 + 𝑏1𝑥 𝑛−1 + 𝑏2𝑥 𝑛−2 +⋯+ 𝑏𝑛 se 𝑝(𝑥) = ℎ(𝑥), então, necessariamente, devemos ter: 𝑎0 = 𝑏0 𝑎1 = 𝑏1 𝑎2 = 𝑏2 . . 6 . 𝑎𝑛 = 𝑏𝑛 0𝑦2 + 0𝑦 + 1 = (𝐴 + 𝐵)𝑦2 + 𝐶𝑦 + 𝐴 Portanto: 𝐴 + 𝐵 = 0 𝐶 = 0 𝐴 = 1 Substituindo 𝐴 = 1 Em 𝐴 + 𝐵 = 0 Temos: 1 + 𝐵 = 0 → 𝐵 = −1 Portanto: 1 𝑦(𝑦2 + 1) = 1 𝑦 + (−1)𝑦 + 0 𝑦2 + 1 = 1 𝑦 − 𝑦 𝑦2 + 1 Assim: ∫ 𝑑𝑦 𝑦3 + 𝑦 = ∫ 𝑑𝑦 𝑦(𝑦2 + 1) = ∫ 1 𝑦(𝑦2 + 1) 𝑑𝑦 = ∫( 1 𝑦 − 𝑦 𝑦2 + 1 ) 𝑑𝑦 = ∫( 1 𝑦 ) 𝑑𝑦 − ∫ ( 𝑦 𝑦2 + 1 ) 𝑑𝑦 Onde: ∫( 1 𝑦 ) 𝑑𝑦 = ln(𝑦) + 𝐶1 ∫ ( 𝑦 𝑦2+1 ) 𝑑𝑦 substituindo 𝑦2 + 1 = 𝑡 diferenciando: 2𝑦 𝑑𝑦 = 𝑑𝑡 → 𝑦𝑑𝑦 = 𝑑𝑡 2 Então: ∫ ( 𝑦 𝑦2+1 ) 𝑑𝑦 = ∫ 𝑑𝑡 2⁄ 𝑡 = 1 2 ∫ 1 𝑡 𝑑𝑡 = 1 2 ln(𝑡) + 𝐶 = 1 2 ln(𝑦2 + 1) + 𝐶2 Ainda: ∫ 1 𝑥 𝑑𝑥 = ln(𝑥) + 𝐶3 7 Finalmente: 1 2 ln(𝑦2 + 1) + 𝐶2 + ln(𝑦) + 𝐶1 = ln(𝑥) + 𝐶3 1 2 ln(𝑦2 + 1) + ln(𝑦) − ln(𝑥) = + 𝐶3 − 𝐶2 − 𝐶1 1 2 ln(𝑦2 + 1) + ln(𝑦) − ln(𝑥) = 𝐶4 Propriedade de logaritmo: 𝐴 ∙ 𝑙𝑛(𝐵) = 𝑙𝑛(𝐵)𝐴 ln(𝑦2 + 1) 1 2⁄ + ln(𝑦) − ln(𝑥) = 𝐶4 ln√𝑦2 + 1 + ln(𝑦) − ln(𝑥) = 𝐶4 Propriedade de logaritmo: ln(𝐴 ∙ 𝐵 ∙ 𝐶) = ln(𝐴) + ln(𝐵) + ln (𝐶) ln ( 𝐴 𝐵 ) = ln(𝐴) − ln (𝐵) ln [ (√𝑦2 + 1) ∙ (𝑦) 𝑥 ] = 𝐶4 ln [ (√𝑦2 + 1) ∙ (𝑦) 𝑥 ] = ln (𝐶5) ln 𝑥 = 𝑙𝑜𝑔𝑒(𝑥) = 𝑦 → 𝑥 = 𝑒 𝑦 2 = ln(𝑥) → 𝑒2 = 𝑥 ln(𝑒2) = 2 ln(𝑒) = 2𝑙𝑜𝑔𝑒𝑒 = 2.1 = 2 𝑙𝑜𝑔𝑏𝑏 = 1 (√𝑦2 + 1) ∙ (𝑦) 𝑥 = 𝐶5 (√𝑦2 + 1) ∙ (𝑦) = 𝑥 ∙ 𝐶5 𝑦 ∙ √𝑦2 + 1 = 𝐶𝑥 (solução geral da ED) 8 Observação: outro método que pode ser usado para chegar à solução da integral deste problema é o seguinte: ∫ 1 𝑦3+𝑦 𝑑𝑦 = ∫ 1 𝑦(𝑦2+1) 𝑑𝑦 = ∫( 1+ 𝑦2− 𝑦2 𝑦(𝑦2+1) ) 𝑑𝑦 = ∫ [ (1+ 𝑦2)− 𝑦2 𝑦(𝑦2+1) ] 𝑑𝑦 = ∫ [ (𝑦2+1 ) 𝑦(𝑦2+1) − 𝑦2 𝑦.(𝑦2+1) ] 𝑑𝑦 = ∫ [ 1 𝑦 − 𝑦 (𝑦2+1) ] 𝑑𝑦 = ∫ 1 𝑦 𝑑𝑦 − ∫ 𝑦 (𝑦2+1) 𝑑𝑦 Exercício 2: Resolver a ED: 𝑡𝑔(𝑥). 𝑠𝑒𝑛2(𝑦). 𝑑𝑥 + 𝑐𝑜𝑠2(𝑥). 𝑐𝑜𝑡𝑔(𝑦). 𝑑𝑦 = 0 𝑡𝑔(𝑥). 𝑠𝑒𝑛2(𝑦). 𝑑𝑥 = −𝑐𝑜𝑠2(𝑥). 𝑐𝑜𝑡𝑔(𝑦). 𝑑𝑦 𝑡𝑔(𝑥) 𝑐𝑜𝑠2(𝑥) 𝑑𝑥 = − 𝑐𝑜𝑡𝑔(𝑦) 𝑠𝑒𝑛2(𝑦) 𝑑𝑦 Integrando: ∫ 𝑡𝑔(𝑥) 𝑐𝑜𝑠2(𝑥)𝑑𝑥 = −∫ 𝑐𝑜𝑡𝑔(𝑦) 𝑠𝑒𝑛2(𝑦) 𝑑𝑦 ∫ 𝑠𝑒𝑛 𝑥 𝑐𝑜𝑠 𝑥 𝑐𝑜𝑠2𝑥 1 𝑑𝑥 = −∫ cos𝑦 𝑠𝑒𝑛 𝑦 𝑠𝑒𝑛2𝑦 1 𝑑𝑦 ∫ 𝑠𝑒𝑛 𝑥 𝑐𝑜𝑠3𝑥 𝑑𝑥 = −∫ cos𝑦 𝑠𝑒𝑛3𝑦 𝑑𝑦 Resolvendo a integral do primeiro membro: Substituindo: cos𝑥 = 𝑢 → 𝑑𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑛𝑑𝑜 → (cos 𝑥)′𝑑𝑥 = (𝑢)′𝑑𝑢 → −𝑠𝑒𝑛 𝑥 𝑑𝑥 = 𝑑𝑢 → 𝑠𝑒𝑛 𝑥 𝑑𝑥 = −𝑑𝑢 Portanto: ∫ 𝑠𝑒𝑛 𝑥 (cos𝑥)3 𝑑𝑥 = ∫ −𝑑𝑢 𝑢3 = −∫ 1 𝑢3 𝑑𝑢 = −∫𝑢−3𝑑𝑢 = − [ 𝑢−3+1 −3+1 + 𝐶1] = − [ 𝑢−2 −2 + 𝐶1] = = − [− 1 2𝑢2 + 𝐶1] = 1 2𝑢2 − 𝐶1 = 1 2𝑢2 + 𝐶2 = = 1 2(cos𝑥)2 + 𝐶2 = 1 2 ( 1 cos𝑥 ) 2 + 𝐶2 = 1 2 (sec 𝑥)2 + 𝐶2 = 1 2 𝑠𝑒𝑐2𝑥 + 𝐶2 9 Resolvendo a integral do segundo membro: −∫ cos𝑦 𝑠𝑒𝑛3𝑦 𝑑𝑦 { 𝑠𝑒𝑛 𝑦 = 𝑡 (𝑠𝑒𝑛 𝑦)′𝑑𝑦 = 𝑑𝑡 → cos 𝑦 𝑑𝑦 = 𝑑𝑡 Substituindo: −∫ 1 𝑡3 𝑑𝑡 = − ∫ 𝑡−3𝑑𝑡 = − [ 𝑡−3+1 −3 + 1 + 𝐶3] = − [ 𝑡−2 −2 + 𝐶3] = [ 1 2𝑡2 − 𝐶3] = 1 2 ( 1 𝑡 ) 2 + 𝐶4 = 1 2 ( 1 𝑠𝑒𝑛 𝑦 ) 2 + 𝐶4 = 1 2 (𝑐𝑜𝑠𝑠𝑒𝑐 𝑦)2 + 𝐶4 = 1 2 𝑐𝑜𝑠𝑠𝑒𝑐2𝑦 + 𝐶4 Finalmente: 1 2 𝑠𝑒𝑐2𝑥 + 𝐶2 = 1 2 𝑐𝑜𝑠𝑠𝑒𝑐2𝑦 + 𝐶4 1 2 𝑠𝑒𝑐2𝑥 − 1 2 𝑐𝑜𝑠𝑠𝑒𝑐2𝑦 = +𝐶4 − 𝐶2 1 2 (𝑠𝑒𝑐2𝑥 − 𝑐𝑜𝑠𝑠𝑒𝑐2𝑦) = 𝐶5 𝑠𝑒𝑐2𝑥 − 𝑐𝑜𝑠𝑠𝑒𝑐2𝑦 = 2𝐶5 𝑠𝑒𝑐2𝑥 − 𝑐𝑜𝑠𝑠𝑒𝑐2𝑦 = 𝐶6 𝑠𝑒𝑐2𝑥 − 𝑐𝑜𝑠𝑠𝑒𝑐2𝑦 = 𝐶 (solução geral da ED) Exercício 3: Resolver a ED (1 + 𝑒𝑥). 𝑦. 𝑦′ = 𝑒𝑥 quando (𝑥, 𝑦) = (0, 1) (1 + 𝑒𝑥)𝑦 𝑑𝑦 𝑑𝑥 = 𝑒𝑥 𝑦𝑑𝑦 = 𝑒𝑥 (1+ 𝑒𝑥) 𝑑𝑥 Integrando ambos os membros: ∫𝑦𝑑𝑦 = ∫ 𝑒𝑥 (1+ 𝑒𝑥) 𝑑𝑥 (1) Resolvendo a integral do primeiro membro: ∫𝑦𝑑𝑦 = [ 𝑦2 2 + 𝐶1] (2) Resolvendo a integral do segundo membro: 10 ∫ 𝑒𝑥 (1 + 𝑒𝑥) 𝑑𝑥 { 𝑠𝑢𝑏𝑠𝑡𝑖𝑡𝑢𝑖𝑛𝑑𝑜: 1 + 𝑒𝑥 = 𝑤 𝑑𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑛𝑑𝑜: (1 + 𝑒𝑥)′ 𝑑𝑥 = 𝑑𝑤 → 𝑒𝑥𝑑𝑥 = 𝑑𝑤 Portanto: ∫ 𝑒𝑥 (1+ 𝑒𝑥) 𝑑𝑥 = ∫ 1 (1+ 𝑒𝑥) (𝑒𝑥𝑑𝑥) = ∫ 1 𝑤 𝑑𝑤 = ln(𝑤) + 𝐶2 ln(𝑤) + 𝐶2 = ln(1 + 𝑒 𝑥) + 𝐶2 (3) Substituindo (2) e (3) em (1), temos: 𝑦2 2 + 𝐶1 = ln(1 + 𝑒 𝑥) + 𝐶2 𝑦2 2 − ln(1 + 𝑒𝑥) = 𝐶3 𝑦2 2 − ln(1 + 𝑒𝑥) = 𝐶 solução geral da ED Das condições fornecidas no enunciado do problema, temos: para 𝑥 = 0 ⟹ 𝑦 = 1 Substituindo na solução geral: 𝐶 = (1)2 2 − ln(1 + 𝑒0) = 1 2 − ln(1 + 1) = 1 2 − ln (2) Substituindo o valor da constante na solução geral: 𝑦2 2 − ln(1 + 𝑒𝑥) = 1 2 − ln (2) Multiplicando ambos os membros por 2: 𝑦2 − 2 ln(1 + 𝑒𝑥) = 1 − 2ln (2) 𝑦2 − ln(1 + 𝑒𝑥)2 = 1 − ln(2)2 𝑦2 − ln(1 + 𝑒𝑥)2 = 1 − ln4 solução particular da ED Equação diferencial ordinária de primeira ordem do tipo homogênea Definição: É toda ED do tipo: 𝑑𝑦 𝑑𝑥 = 𝑓(𝑥, 𝑦) onde 𝑓(𝑥, 𝑦) é uma função homogênea de grau zero. Observação: dizemos que uma função 𝑓(𝑥, 𝑦) é homogênea de grau 𝑛, se, e somente se, para todo 𝑡 ∈ ℝ: 11 𝑓(𝑡𝑥, 𝑡𝑦) = 𝑡𝑛 ∙ 𝑓(𝑥, 𝑦) Exemplos: 1- 𝑓(𝑥, 𝑦) = 𝑥2 + 𝑦2 é uma função homogênea de grau 𝑛 = 2. Verificação: 𝑓(𝑡𝑥, 𝑡𝑦) = (𝑡𝑥)2 + (𝑡𝑦)2 = 𝑡2𝑥2 + 𝑡2𝑦2 𝑓(𝑡𝑥, 𝑡𝑦) = 𝑡2 (𝑥2 + 𝑦2) 𝑓(𝑡𝑥, 𝑡𝑦) = 𝑡2 ∙ 𝑓(𝑥, 𝑦) 2- 𝑓(𝑥, 𝑦) = 3𝑥−2𝑦 𝑥+𝑦 é uma função homogênea de grau 𝑛 = 0. Verificação: 𝑓(𝑡𝑥, 𝑡𝑦) = 3(𝑡𝑥) − 2(𝑡𝑦) (𝑡𝑥) + (𝑡𝑦) = 3𝑡𝑥 − 2𝑡𝑦 𝑡𝑥 + 𝑡𝑦 = 𝑡. (3𝑥 − 2𝑦) 𝑡. (𝑥 + 𝑦) = 𝑡 𝑡 ∙ ( 3𝑥 − 2𝑦 𝑥 + 𝑦 ) = 𝑡0. 𝑓(𝑥, 𝑦) 𝑓(𝑡𝑥, 𝑡𝑦) = 𝑡0. 𝑓(𝑥, 𝑦) 3- 𝑓(𝑥, 𝑦) = 𝑥2−3𝑥𝑦 𝑥+5 não é uma função homogênea. Verificação: 𝑓(𝑡𝑥, 𝑡𝑦) = (𝑡𝑥)2 − 3(𝑡𝑥)(𝑡𝑦) (𝑡𝑥) + 5 = 𝑡2𝑥2 − 3𝑡2𝑥𝑦 𝑡𝑥 + 5 𝑓(𝑡𝑥, 𝑡𝑦) = 𝑡2(𝑥2 − 3𝑥𝑦) 𝑡(𝑥 + 5 𝑡) = 𝑡1 ∙ (𝑥2 − 3𝑥𝑦) (𝑥 + 5 𝑡) ≠ 𝑡1. 𝑓(𝑥, 𝑦) Solução da ED do tipo homogênea: A solução é obtida através da transformação da ED homogênea em uma ED de variáveis separáveis, mediante uma troca de variáveis. 𝑦 = 𝑢 ∙ 𝑥 Derivando ambos os membros em relação a 𝑥: 𝑑 𝑑𝑥 (𝑦) = 𝑑 𝑑𝑥 (𝑢 ∙ 𝑥) = 𝑑 𝑑𝑥 (𝑢). 𝑥 + 𝑢. 𝑑 𝑑𝑥 (𝑥) 𝑑𝑦 𝑑𝑥 = 𝑑𝑢 𝑑𝑥 . 𝑥 + 𝑢. 1 𝑑𝑦 𝑑𝑥 = 𝑑𝑢 𝑑𝑥 . 𝑥 + 𝑢 Substituindo na ED: 𝑑𝑢 𝑑𝑥 . 𝑥 + 𝑢 = 𝑓(𝑥, 𝑢. 𝑥) = 𝑥0. 𝑓(1, 𝑢) = 𝑓(1, 𝑢) 𝑑𝑢 𝑑𝑥 . 𝑥 + 𝑢 = 𝑓(1, 𝑢) 𝑑𝑢 𝑑𝑥 . 𝑥 = 1. [𝑓(1, 𝑢) − 𝑢] 1 𝑓(1, 𝑢) − 𝑢 𝑑𝑢 = 𝑑𝑥 𝑥 12 Exercício 1: Dada a ED 𝑦′ = − 𝑥 + 𝑦 𝑥 a-) verifique se é possível separar as variáveis 𝑥 e 𝑦; b-) verifique se a ED é homogênea; c-) Se for homogênea, substitua 𝑦 = 𝑢 ∙ 𝑥 e calcule a solução geral desta ED. Solução: a-) 𝑑𝑦 𝑑𝑥 = − 𝑥 + 𝑦 𝑥 𝑥 ∙ 𝑑𝑦 𝑑𝑥 = −(𝑥 + 𝑦) = −𝑥 − 𝑦 𝑥 + 𝑥 ∙ 𝑑𝑦 𝑑𝑥 = −𝑦 Não é uma ED de Variáveis separáveis. b-) vericação de homogeneidade: 𝑓(𝑡𝑥, 𝑡𝑦) = − (𝑡𝑥) + (𝑡𝑦) (𝑡𝑥) = − 𝑡𝑥 + 𝑡𝑦 𝑡𝑥 𝑓(𝑡𝑥, 𝑡𝑦) = − 𝑡. (𝑥 + 𝑦) 𝑡. 𝑥 = 𝑡 𝑡 ∙ (− 𝑥 + 𝑦 𝑥 ) 𝑓(𝑡𝑥, 𝑡𝑦) = 𝑡0 ∙ 𝑓(𝑥, 𝑦) Portanto, 𝑓(𝑥, 𝑦) é homogênea de grau zero e a ED é do tipo homogênea. c-) como a ED é homogênea, vamos fazer a seguinte substituição: 𝑦 = 𝑢 ∙ 𝑥 → 𝑑𝑦 𝑑𝑥 = 𝑑𝑢 𝑑𝑥 . 𝑥 + 𝑢 Então: 𝑑𝑢 𝑑𝑥 . 𝑥 + 𝑢 = − 𝑥 + (𝑢. 𝑥) 𝑥 𝑑𝑢 𝑑𝑥 . 𝑥 + 𝑢 = − 𝑥(1 + 𝑢) 𝑥 = −(1 + 𝑢) 𝑑𝑢 𝑑𝑥 . 𝑥 = −1 − 𝑢 − 𝑢 = −1 − 2𝑢 𝑑𝑢 −1 − 2𝑢 = 𝑑𝑥 𝑥 𝑑𝑢 −(1 + 2𝑢) = 𝑑𝑥 𝑥 − 𝑑𝑢 (1 + 2𝑢) = 𝑑𝑥 𝑥 13 𝑑𝑢 (1 + 2𝑢) = − 𝑑𝑥 𝑥 Integrando ambos os membros: ∫ 𝑑𝑢 (1 + 2𝑢) = ∫− 𝑑𝑥 𝑥 ∫ 𝑑𝑢 (1 + 2𝑢) = −∫ 𝑑𝑥 𝑥 Para resolver a integral do primeiro membro, usamos uma substituição: 1 + 2𝑢 = 𝑤 Diferenciando: (1 + 2𝑢)′𝑑𝑢 = (𝑤)′𝑑𝑤 2𝑑𝑢 = 𝑑𝑤 𝑑𝑢 = 𝑑𝑤 2 Assim: ∫ 𝑑𝑤 2 𝑊 = −∫ 𝑑𝑥 𝑥 1 2 ∫ 𝑑𝑤 𝑊 = −∫ 𝑑𝑥 𝑥 1 2 𝑙𝑛|𝑤| + 𝐶1 = −𝑙𝑛|𝑥| + 𝐶2 1 2 𝑙𝑛|𝑤| + 𝑙𝑛|𝑥| = + 𝐶2 − 𝐶1 𝑙𝑛|𝑤|1 2⁄ + 𝑙𝑛|𝑥| = 𝐶3 = ln 𝐶4 𝑙𝑛(|𝑤|1 2⁄ . |𝑥|) = ln 𝐶4 (𝑙𝑛𝐴 = 𝑙𝑛𝐵 ⟹ 𝐴 = 𝐵) |𝑤|1 2⁄ . |𝑥| = 𝐶4 √𝑥2. (1 + 2𝑢) = 𝐶4 √𝑥2. (1 + 2 𝑦 𝑥 ) = 𝐶4 √𝑥2 + 2𝑥𝑦) = 𝐶4 Quadrando ambos os membros: (√𝑥2 + 2𝑥𝑦) 2 = (𝐶4) 2 𝑥2 + 2𝑥𝑦 = 𝐶5 2𝑥𝑦 = 𝐶5 − 𝑥 2 𝑦 = 𝐶− 𝑥2 2𝑥 que é a solução geral da ED Exercícios propostos: Verifique a homogeneidade de cada uma das ED a seguir, e calcule a solução geral e a solução particular, quando fornecidas as condições iniciais: 2-) (𝑥 − 𝑦)𝑦𝑑𝑥 − 𝑥2𝑑𝑦 = 0 𝑥 𝑦 − 𝑙𝑛|𝑥| = 𝐶 14 3-) (𝑥2 − 3𝑦2)𝑑𝑥 + 2𝑥𝑦𝑑𝑦 = 0 para 𝑦(2) = 1 𝑦 = 𝑥√1 − 3 8 𝑥 4-) 𝑦 𝑦′ = 𝑥+𝑦 2 (𝑥 − 𝑦)2 − 𝐶𝑦 = 0 2-) solução (𝑥 − 𝑦)𝑦𝑑𝑥 = 𝑥2𝑑𝑦 𝑑𝑦 𝑑𝑥 = 𝑦(𝑥 − 𝑦) 𝑥2 𝑓(𝑥, 𝑦) = 𝑦(𝑥 − 𝑦) 𝑥2 𝑓(𝑡𝑥, 𝑡𝑦) = 𝑡𝑦(𝑡𝑥 − 𝑡𝑦) 𝑡2𝑥2 = 𝑡2𝑦(𝑥 − 𝑦) 𝑡2𝑥2 = 𝑡0. 𝑓(𝑥, 𝑦) Portanto, a ED é do tipo homogênea, então 𝑦 = 𝑢. 𝑥 e 𝑑𝑦 𝑑𝑥 = 𝑑𝑢 𝑑𝑥 𝑥 + 𝑢 𝑑𝑢 𝑑𝑥 𝑥 + 𝑢 = 𝑢𝑥(𝑥 − 𝑢𝑥) 𝑥2 = 𝑥2(𝑢 − 𝑢2) 𝑥2 = 𝑢 − 𝑢2 𝑑𝑢 𝑑𝑥 𝑥 = −𝑢 + 𝑢 − 𝑢2 = −𝑢2 −∫ 𝑑𝑢 𝑢2 = ∫ 𝑑𝑥 𝑥 1 𝑢 + 𝐶1 = 𝑙𝑛|𝑥| + 𝐶2 𝑥 𝑦 − 𝑙𝑛|𝑥| = 𝐶2 𝑥 𝑦 = 𝑙𝑛|𝑥| + 𝑙𝑛𝐶3 𝑥 𝑦 = 𝑙𝑛|𝑥|. 𝐶3 𝑦 = 𝑥 𝑙𝑛|𝑥|. 𝐶3 𝑦 = 𝑥. 𝐶4 𝑙𝑛|𝑥| Exercício 3 (𝑥2 − 3𝑦2)𝑑𝑥 + 2𝑥𝑦𝑑𝑦 = 0, 𝑦(2) = 1 𝑑𝑦 𝑑𝑥 = 𝑓(𝑥, 𝑦) onde 𝑓(𝑥, 𝑦) é uma função homogênea de grau zero (𝑥2 − 3𝑦2)𝑑𝑥 = −2𝑥𝑦𝑑𝑦 15 𝑑𝑦 𝑑𝑥 = − (𝑥2 − 3𝑦2)2𝑥𝑦 Verificação da homogeneidade: 𝑓(𝑥, 𝑦) = − (𝑥2−3𝑦2) 2𝑥𝑦 → 𝑓(𝑡𝑥, 𝑡𝑦) = − ((𝑡𝑥)2−3(𝑡𝑦)2) 2(𝑡𝑥)(𝑡𝑦) = − (𝑡2𝑥2−3𝑡2𝑦2) 2𝑡2𝑥𝑦 = − 𝑡2(𝑥2−3𝑦2) 𝑡22𝑥𝑦 𝑓(𝑡𝑥, 𝑡𝑦) = 𝑡0 (− (𝑥2−3𝑦2) 2𝑥𝑦 ) = 𝑡0𝑓(𝑥, 𝑦) Portanto, a função 𝑓(𝑥, 𝑦) é homogênea de grau zero. Como a ED é do tipo homogênea, então podemos fazer a seguinte substituição de variáveis: 𝑦 = 𝑢. 𝑥 (1) Derivando ambos os membros em relação a 𝑥, temos: 𝑑𝑦 𝑑𝑥 = 𝑑(𝑢. 𝑥) 𝑑𝑥 = 𝑑𝑢 𝑑𝑥 ∙ 𝑥 + 𝑢 ∙ 𝑑𝑥 𝑑𝑥 = 𝑑𝑢 𝑑𝑥 ∙ 𝑥 + 𝑢 𝑑𝑦 𝑑𝑥 = 𝑑𝑢 𝑑𝑥 ∙ 𝑥 + 𝑢 (2) Substituindo (1) e (2) na ED: 𝑑𝑦 𝑑𝑥 = − (𝑥2 − 3𝑦2) 2𝑥 𝑦 𝑑𝑢 𝑑𝑥 ∙ 𝑥 + 𝑢 = − (𝑥2 − 3(𝑢𝑥)2) 2𝑥(𝑢𝑥) = − (𝑥2 − 3𝑢2𝑥2) 2𝑢𝑥2 = − 𝑥2 ∙ (1 − 3𝑢2) 2𝑢𝑥2 𝑑𝑢 𝑑𝑥 ∙ 𝑥 + 𝑢 = − (1 − 3𝑢2) 2𝑢 𝑑𝑢 𝑑𝑥 ∙ 𝑥 = − (1 − 3𝑢2) 2𝑢 − 𝑢 = −(1 − 3𝑢2) − 2𝑢2 2𝑢 = −1 + 3𝑢2 − 2𝑢2 2𝑢 = −1 + 𝑢2 2𝑢 𝑑𝑢 𝑑𝑥 ∙ 𝑥 = −1 + 𝑢2 2𝑢 2𝑢 𝑢2 − 1 𝑑𝑢 = 1 𝑥 𝑑𝑥 Integrando ambos os membros: ∫ 2𝑢 𝑢2 − 1 𝑑𝑢 = ∫ 1 𝑥 𝑑𝑥 Resolvendo a integral do primeiro membro: ∫ 2𝑢 𝑢2 − 1 𝑑𝑢 = { 𝑓𝑎𝑧𝑒𝑛𝑑𝑜: 𝑢2 − 1 = 𝑤 𝑑𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑛𝑑𝑜: 2𝑢𝑑𝑢 = 𝑑𝑤 16 ∫ 1 𝑤 𝑑𝑤 = 𝑙𝑛|𝑤| + 𝐶1 = 𝑙𝑛|𝑢 2 − 1| + 𝐶1 Resolvendo a integral do segundo membro: ∫ 1 𝑥 𝑑𝑥 = 𝑙𝑛|𝑥| + 𝐶2 Assim: 𝑙𝑛|𝑢2 − 1|+= 𝑙𝑛|𝑥| + 𝐶2 𝑙𝑛|𝑢2 − 1| − 𝑙𝑛|𝑥| = 𝐶2 − 𝐶1 𝑙𝑛 | 𝑢2 − 1 𝑥 | = 𝐶3 = 𝑙𝑛|𝐶4| 𝑙𝑛 | 𝑢2 − 1 𝑥 | = 𝑙𝑛|𝐶4| 𝑢2 − 1 𝑥 = 𝐶4 Mas 𝑦 = 𝑢 ∙ 𝑥 → 𝑢 = 𝑦 𝑥 ( 𝑦 𝑥) 2 − 1 𝑥 = 𝐶4 𝑦2 𝑥2 − 1 𝑥 = 𝐶4 𝑦2 − 𝑥2 𝑥2 𝑥 = 𝐶4 𝑦2 − 𝑥2 𝑥2 𝑥 1 = 𝐶4 𝑦2 − 𝑥2 𝑥3 = 𝐶4 𝑦2− 𝑥2 𝑥3 = 𝐶 solução geral da ED Do enunciado → 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑥 = 2, 𝑦 = 1 17 (1)2 − (2)2 (2)3 = 𝐶 𝐶 = 1 − 4 8 𝐶 = − 3 8 Substituindo o valor da constante na solução geral, temos a solução particular: 𝑦2 − 𝑥2 𝑥3 = − 3 8 𝑦2 − 𝑥2 = − 3 8 𝑥3 𝑦2 = 𝑥2 − 3 8 𝑥3 𝑦2 = 𝑥2 ∙ (1 − 3 8 𝑥) 𝑦 = 𝑥 ∙ √1 − 3 8 𝑥 solução particular da ED Exercício 4 𝑦 𝑦′ = 𝑥 + 𝑦 2 𝑦 = 𝑥 + 𝑦 2 𝑦′ 𝑦′ = 2𝑦 𝑥 + 𝑦 𝑑𝑦 𝑑𝑥 = 2𝑦 𝑥 + 𝑦 Verificação de homogeneidade: 𝑓(𝑥, 𝑦) = 2𝑦 𝑥 + 𝑦 → 𝑓(𝑡𝑥, 𝑡𝑦) = 2𝑡𝑦 𝑡𝑥 + 𝑡𝑦 = 𝑡 ∙ 2𝑦 𝑡 ∙ (𝑥 + 𝑦) = 𝑡0 ∙ ( 2𝑦 𝑥 + 𝑦 ) = 𝑡0 ∙ 𝑓(𝑥, 𝑦) Portanto, a ED é do tipo homogênea. Então, podemos fazer a seguinte substituição: 18 𝑦 = 𝑢 ∙ 𝑥 → 𝑑𝑦 𝑑𝑥 = 𝑑𝑢 𝑑𝑥 ∙ 𝑥 + 𝑢 Assim: 𝑑𝑢 𝑑𝑥 ∙ 𝑥 + 𝑢 = 2(𝑢 ∙ 𝑥) 𝑥 + (𝑢 ∙ 𝑥) = 𝑥(2𝑢) 𝑥(1 + 𝑢) = 2𝑢 1 + 𝑢 𝑑𝑢 𝑑𝑥 ∙ 𝑥 = 2𝑢 1 + 𝑢 − 𝑢 = 2𝑢 − 𝑢 ∙ (1 + 𝑢) 1 + 𝑢 = 2𝑢 − 𝑢 − 𝑢2 1 + 𝑢 = 𝑢 − 𝑢2 1 + 𝑢 𝑑𝑢 𝑑𝑥 ∙ 𝑥 = 𝑢 − 𝑢2 1 + 𝑢 1 + 𝑢 𝑢 − 𝑢2 𝑑𝑢 = 1 𝑥 𝑑𝑥 Integrando ambos os membros: ∫ 1+𝑢 𝑢− 𝑢2 𝑑𝑢 = ∫ 1 𝑥 𝑑𝑥 (I) Usando a técnica de frações parciais: 1 + 𝑢 𝑢 − 𝑢2 = 1 + 𝑢 𝑢 ∙ (1 − 𝑢) = 𝐴 𝑢 + 𝐵 1 − 𝑢 1 + 𝑢 𝑢 ∙ (1 − 𝑢) = 𝐴(1 − 𝑢) + 𝐵 ∙ 𝑢 𝑢 ∙ (1 − 𝑢) = 𝐴 − 𝐴𝑢 + 𝐵𝑢 𝑢 ∙ (1 − 𝑢) = 𝑢(𝐵 − 𝐴) + 𝐴 𝑢 ∙ (1 − 𝑢) 1 + 𝑢 𝑢 ∙ (1 − 𝑢) = 𝑢(𝐵 − 𝐴) + 𝐴 𝑢 ∙ (1 − 𝑢) Como os denominadores são idênticos, devemos impor que os numeradores sejam iguais para que a igualdade se verifique: 𝑢 + 1 = 𝑢(𝐵 − 𝐴) + 𝐴 Devemos ter: 𝐵 − 𝐴 = 1 e 𝐴 = 1 𝐵 = 1 + 𝐴 = 1 + 1 = 2 𝐵 = 2 Portanto: 1 + 𝑢 𝑢 − 𝑢2 = 1 + 𝑢 𝑢 ∙ (1 − 𝑢) = 𝐴 𝑢 + 𝐵 1 − 𝑢 = 1 𝑢 + 2 1 − 𝑢 Substituindo na integral: ∫ 1 + 𝑢 𝑢 − 𝑢2 𝑑𝑢 = ∫( 1 𝑢 + 2 1 − 𝑢 )𝑑𝑢 = ∫ 1 𝑢 𝑑𝑢 + ∫ 2 1 − 𝑢 𝑑𝑢 = ∫ 1 𝑢 𝑑𝑢 + 2∫ 1 1 − 𝑢 𝑑𝑢 19 Na segunda integral: 1 − 𝑢 = 𝑤 → −𝑑𝑢 = 𝑑𝑤 → 𝑑𝑢 = −𝑑𝑤 = ∫ 1 𝑢 𝑑𝑢 + 2∫ 1 𝑤 (−𝑑𝑤) = ∫ 1 𝑢 𝑑𝑢 − 2∫ 1 𝑤 𝑑𝑤 = 𝑙𝑛|𝑢| + 𝐶1 − 2𝑙𝑛|𝑤| + 𝐶2 Voltando à expressão (I), temos: ∫ 1 + 𝑢 𝑢 − 𝑢2 𝑑𝑢 = ∫ 1 𝑥 𝑑𝑥 𝑙𝑛|𝑢| + 𝐶1 − 2𝑙𝑛|𝑤| + 𝐶2 = 𝑙𝑛|𝑥| + 𝐶3 Mas: 𝑢 = 𝑦 𝑥 e 𝑤 = 1 − 𝑢 = 1 − 𝑦 𝑥 = 𝑥−𝑦 𝑥 Então: 𝑙𝑛 | 𝑦 𝑥 | + 𝐶1 − 2𝑙𝑛 | 𝑥 − 𝑦 𝑥 | + 𝐶2 = 𝑙𝑛|𝑥| + 𝐶3 𝑙𝑛 | 𝑦 𝑥 | − 2𝑙𝑛 | 𝑥 − 𝑦 𝑥 | − 𝑙𝑛|𝑥| = 𝐶3 − 𝐶1 − 𝐶2 = 𝐶4 𝑙𝑛 | 𝑦 𝑥 | − (2𝑙𝑛 | 𝑥 − 𝑦 𝑥 | + 𝑙𝑛|𝑥|) = 𝐶4 Propriedade: 𝐴 ∙ 𝑙𝑛𝐵 = 𝑙𝑛𝐵𝐴 𝑙𝑛 | 𝑦 𝑥 | − (𝑙𝑛 |( 𝑥 − 𝑦 𝑥 ) 2 | + 𝑙𝑛|𝑥|) = 𝐶4 𝑙𝑛 | 𝑦 𝑥 | − 𝑙𝑛 |( 𝑥 − 𝑦 𝑥 ) 2 ∙ 𝑥| = 𝐶4 𝑙𝑛 | 𝑦 𝑥 | − 𝑙𝑛 | (𝑥 − 𝑦)2 𝑥2 ∙ 𝑥| = 𝐶4 𝑙𝑛 | 𝑦 𝑥 | − 𝑙𝑛 | (𝑥 − 𝑦)2 𝑥 | = 𝐶4 𝑙𝑛 | 𝑦 𝑥 (𝑥 − 𝑦)2 𝑥 | = 𝐶4 = 𝑙𝑛𝐶5 𝑦 𝑥 (𝑥 − 𝑦)2 𝑥 = 𝐶5 𝑦. 𝑥 𝑥. (𝑥 − 𝑦)2 = 𝐶5 𝑦 (𝑥 − 𝑦)2 = 𝐶5 20 𝑦 = 𝐶5. (𝑥 − 𝑦) 2 𝑦 𝐶5 = (𝑥 − 𝑦)2 𝐶6𝑦 = (𝑥 − 𝑦) 2 0 = (𝑥 − 𝑦)2 − 𝐶6𝑦 (𝑥 − 𝑦)2 − 𝐶𝑦 = 0 solução geral da ED
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