EDOs lineares de segunda ordem

Característica por família com problemas de valor inicial, redução de ordem, coeficientes indeterminados e variação dos parâmetros.

TLDR

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Equação característica

Para ay′′+by′+cy=0ay''+by'+cy=0, com coeficientes constantes e a≠0a\ne0, resolve ar2+br+c=0ar^2+br+c=0.

RaízesSolução homogénea
Reais distintas r1,r2r_1,r_2C1er1x+C2er2xC_1e^{r_1x}+C_2e^{r_2x}
Real dupla rr(C1+C2x)erx(C_1+C_2x)e^{rx}
α±iβ\alpha\pm i\beta, β>0\beta>0eαx(C1cos⁡βx+C2sin⁡βx)e^{\alpha x}(C_1\cos\beta x+C_2\sin\beta x)

As duas condições iniciais determinam C1,C2C_1,C_2. Em y′′−4y′+4y=0y''-4y'+4y=0, y(0)=0y(0)=0, y′(0)=1y'(0)=1, a raiz dupla é 22, logo y=xe2xy=xe^{2x}.

Redução de ordem

Conhecendo uma solução homogénea y1y_1 que não se anula no intervalo, escreve y=y1uy=y_1u. Substitui e toma v=u′v=u' para reduzir a uma primeira ordem.

Para x2y′′+2xy′−2y=0x^2y''+2xy'-2y=0, y1=xy_1=x dá xv′+4v=0xv'+4v=0 e depois

y=C1x+C2/x2,y=C_1x+C_2/x^2,

num intervalo que não atravessa zero.

Particular e ressonância

Numa não homogénea, y=yh+ypy=y_h+y_p.

  • Com coeficientes constantes e termo polinomial, exponencial ou trigonométrico, tenta uma particular da família completa e determina coeficientes por substituição.
  • Se o candidato coincide com soluções homogéneas, multiplica-o por xmx^m, onde mm é a multiplicidade da raiz associada (m=1m=1 para raiz simples, m=2m=2 para raiz dupla).
HipóteseCandidato
Sem coincidênciaFamília completa, sem fator extra
Ressonância simplesxx vezes a família

Em y′′+y=sin⁡xy''+y=\sin x, seno e cosseno já pertencem à homogénea. Usa yp=x(Acos⁡x+Bsin⁡x)y_p=x(A\cos x+B\sin x); substituir dá A=−1/2A=-1/2, B=0B=0, logo yp=−xcos⁡x/2y_p=-x\cos x/2. O caso de raiz dupla, com fator x2x^2, está na lição.

Num polinómio, inclui todos os coeficientes até ao termo constante. Numa soma de termos independentes, soma as particulares e acrescenta a homogénea uma única vez.

Variação dos parâmetros

Normaliza primeiro: ay′′+by′+cy=fay''+by'+cy=f passa a y′′+py′+qy=gy''+py'+qy=g, com g=f/ag=f/a.

Para uma base homogénea y1,y2y_1,y_2 com Wronskiano W=y1y2′−y1′y2≠0W=y_1y_2'-y_1'y_2\ne0,

yp=u1y1+u2y2,u1′=−y2gW,u2′=y1gW.y_p=u_1y_1+u_2y_2,\qquad u_1'=-\frac{y_2g}{W},\qquad u_2'=\frac{y_1g}{W}.

Integra e soma yhy_h; as constantes dessas integrações podem ser absorvidas em yhy_h.

Para y′′+y=sec⁡xy''+y=\sec x em ]−π/2,π/2[]-\pi/2,\pi/2[, usa y1=cos⁡xy_1=\cos x, y2=sin⁡xy_2=\sin x, W=1W=1. Resulta

yp=cos⁡xln⁡(cos⁡x)+xsin⁡x.y_p=\cos x\ln(\cos x)+x\sin x.

O intervalo garante cos⁡x>0\cos x>0. Dedução e verificação.

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