Equações diferenciais ordinárias

Separáveis, homogéneas, lineares e Bernoulli, com ponte para as EDOs lineares de segunda ordem.

TLDR

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Ordem e soluções

Uma EDO relaciona y(x)y(x) com as suas derivadas. A ordem é a da derivada mais alta. É linear se yy e as derivadas aparecem à primeira potência, sem produtos entre si, com coeficientes dependentes apenas de xx.

Uma solução satisfaz a equação num intervalo. As condições iniciais fixam constantes; indica sempre onde a expressão e a equação estão definidas.

Separáveis e homogéneas

  • Em y′=f(x)g(y)y'=f(x)g(y), integra dy/g(y)=f(x)dxdy/g(y)=f(x)dx onde g(y)≠0g(y)\ne0. Antes de dividir, verifica os zeros de gg, que podem dar soluções constantes.
  • Para y′=F(y/x)y'=F(y/x), x≠0x\ne0, toma v=y/xv=y/x. Como y′=v+xv′y'=v+xv', fica xv′=F(v)−vxv'=F(v)-v, separável. Verifica os zeros de F(v)−vF(v)-v antes de dividir.

Por exemplo, y′=xyy'=xy dá y=Kex2/2y=Ke^{x^2/2}, incluindo y=0y=0 com K=0K=0. Já y′=y2y'=y^2, y(0)=1y(0)=1, dá y=1/(1−x)y=1/(1-x) no intervalo ]−∞,1[]-\infty,1[. Não atravesses a singularidade.

A noção de homogénea y′=F(y/x)y'=F(y/x) é diferente de uma linear com termo independente zero.

Linear de primeira ordem

Para y′+Py=Qy'+Py=Q, com P,QP,Q contínuas no intervalo, usa

μ=e∫Pdx,(μy)′=μQ,y=∫μQdx+Cμ.\mu=e^{\int Pdx},\qquad (\mu y)'=\mu Q,\qquad y=\frac{\int\mu Qdx+C}{\mu}.

Um dado y(x0)=y0y(x_0)=y_0 determina uma única solução nesse intervalo. Para y′+2y=e−xy'+2y=e^{-x}, μ=e2x\mu=e^{2x} e y=e−x+Ce−2xy=e^{-x}+Ce^{-2x}. Com y(0)=2y(0)=2, C=1C=1.

Bernoulli

Para y′+Py=Qyny'+Py=Qy^n, n≠0,1n\ne0,1, em soluções não nulas toma v=y1−nv=y^{1-n}:

v′+(1−n)Pv=(1−n)Q.v'+(1-n)Pv=(1-n)Q.

Resolve esta linear, regressa a yy e verifica as soluções excluídas pela divisão, bem como o domínio real da potência.

Em y′+y=y2y'+y=y^2, a substituição v=1/yv=1/y lineariza e dá y=1/(1+Cex)y=1/(1+Ce^x), em intervalos sem zeros do denominador. Acrescenta y=0y=0; y=1y=1 já aparece com C=0C=0.

Segunda ordem e escolha de particulares.

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