Equações diferenciais ordinárias
Separáveis, homogéneas, lineares e Bernoulli, com ponte para as EDOs lineares de segunda ordem.
Ordem e linearidade
Uma equação diferencial ordinária, ou EDO, relaciona uma função desconhecida com as suas derivadas. A ordem é a da derivada mais alta presente. Resolver é encontrar funções que satisfaçam a equação num intervalo.
Uma EDO é linear se e as suas derivadas aparecem à primeira potência, sem produtos entre si, e os coeficientes dependem apenas de . Assim, é linear, mas não é. Uma linear é homogénea quando o termo independente é zero. Não confundas isto com a outra noção de “homogénea” usada abaixo em primeira ordem.
Uma solução geral contém constantes arbitrárias. Um problema de valor inicial acrescenta valores de e, em ordens superiores, das derivadas num ponto, e devemos indicar o intervalo onde a solução e os cálculos estão definidos.
Variáveis separáveis
Se e , podemos escrever
Em , a função é solução. Para ,
Logo , com . O valor recupera a solução constante. Se , temos . A verificação é .
Já em , as soluções não nulas são , e é separada. Com , a solução é no maior intervalo que contém zero sem atravessar a singularidade, .
Equações homogéneas de primeira ordem
Uma equação da forma , com , usa . Como , a derivada é . Então
A equação resultante é separável. Verifica também os valores constantes de que anulam , antes de dividir.
Para , temos , logo . Assim e
Derivando, . Trabalhamos em ou , com uma constante em cada intervalo.
Lineares de primeira ordem e Bernoulli
Para , usa o fator integrante
Como , o lado esquerdo depois de multiplicar é . Por isso
A constante na primitiva de apenas multiplica por uma constante não nula; podemos escolher uma primitiva qualquer. Se são contínuas num intervalo que contém , o problema com tem uma única solução nesse intervalo.
Para , escolhemos . A multiplicação transforma a equação em
Integrar dá , logo . Se , então e . A derivada é ; somar deixa apenas , confirmando a equação.
Uma equação de Bernoulli tem forma , . O termo impede o uso direto do fator integrante. Para soluções não nulas, multiplica por e toma . Pela cadeia, e a equação lineariza:
É uma linear em . No fim, volta a e verifica soluções excluídas pela divisão.
Por exemplo, em , toma . A equação passa a . O fator integrante é e
Também há a solução . Escolhe intervalos onde o denominador não se anula. aparece com .
Segunda ordem: para onde seguir
Uma equação como já não se resolve com as técnicas acima: a homogénea precisa de duas constantes e o termo independente pede uma particular construída para a ordem dois. A página seguinte trata a característica e os problemas de valor inicial, a escolha da particular com ressonância e a variação dos parâmetros para os termos que não cabem nos candidatos.
Exercícios
Fator integrante com um coeficiente singular
Resolve , com . Indica o maior intervalo da solução que contém o ponto inicial.
Pista
Escolhe um intervalo onde é contínua antes de calcular o fator integrante. Multiplicar por ele deve produzir uma derivada de produto.
Solução
O ponto inicial está em . Nesse intervalo, . A equação passa a , logo . De resulta :
A derivada é ; somar dá . O maior intervalo que contém é . A equação não está definida em zero e esta solução também diverge ao aproximar-se dele.
Confere a tua resposta:
- Escolhi o intervalo positivo e o fator integrante x².
- Obtive y=x²/4+3/(4x²) pela condição y(1)=1.
- Verifiquei a equação e excluí a travessia de zero.
Mudança homogénea e intervalo de solução
Resolve , com . Usa a mudança e determina o maior intervalo de solução que contém .
Pista
Depois de derivar , a equação em fica separável. Completa o quadrado em .
Solução
Trabalhamos com , pois o intervalo contém e não pode atravessar a singularidade em zero. Com , temos
O lado direito é positivo, por isso não perdemos soluções constantes ao separar. A integração dá
Em , , logo . No ramo que contém esse dado,
A tangente tem os primeiros polos quando . O maior intervalo que contém é . A derivada de satisfaz , confirmando .
Confere a tua resposta:
- Usei y=xv e y′=v+xv′.
- Completei o quadrado e integrei a equação separável.
- Apliquei y(1)=1/2 e indiquei o intervalo onde o ramo não tem polos.
Solução e intervalo de uma separável
Resolve , , e indica o maior intervalo da solução que contém zero.
Pista
Separa usando 1/y², mas verifica y=0 à parte.
Mais uma pista
. Usa a condição inicial antes de escolher o intervalo.
Solução
A solução constante não satisfaz o dado inicial. Para a solução não nula,
Em zero, . Então . Os zeros do denominador são , por isso o maior intervalo que contém zero é . A derivada é .
Confere a tua resposta:
- Integrei com sinal negativo.
- Usei y(0)=1.
- Indiquei o intervalo entre menos raiz de dois e raiz de dois.
Erros frequentes
A fórmula não define uma única solução através dos polos. O intervalo tem de conter o ponto inicial.
Bernoulli com dado inicial
Resolve , .
Pista
Para soluções não nulas, usa v=1/y.
Mais uma pista
A equação em v é v′−2v=−2.
Solução
Multiplicando por e usando , obtemos . O fator integrante é :
Como , temos e . O denominador nunca se anula. A solução vale em . é solução da equação, mas não deste problema inicial.
Confere a tua resposta:
- Reduzi a uma linear em v.
- Determinei C pela condição inicial.
- Verifiquei a solução em todo o real.
Erros frequentes
A derivada de 1/y inclui um sinal negativo. Não uses y=0 na substituição v=1/y.