2.5 Dependencia Lineal, Independencia Lineal, Wronskiano 74

Transcripción

1 .5 Dependencia Lineal, Independencia Lineal, Wronskiano 74.5 Dependencia Lineal, Independencia Lineal, Wronskiano Dependencia Lineal Definición.5. Se dice que un conjunto de funciones f, f,... fn ( ) es linealmente dependiente en un intervalo I si eisten constantes c, c,..., cn no todas ceros tales que cf + cf +,..., + cf = 0 () n n Para toda en el intervalo. Si el conjunto de funciones no es linealmente dependiente en el intervalo, entonces se considera linealmente independiente. [] En otras palabras, un conjunto de funciones es linealmente independiente en un intervalo I si las únicas constantes para las que se cumple (), para toda en el intervalo son c = c =... = c n = 0 En el caso de un conjunto formado por dos funciones, si ese conjunto es linealmente dependiente en un intervalo, eisten constantes, que no son cero todas a la vez, tales que para toda en el intervalo por consiguiente: cf + cf = () 0 Si suponemos que c f ( c / c ) f 0, entonces = () Esto es, si un conjunto de dos funciones es linealmente independiente, entonces una función es un múltiplo constante de la otra. Por lo tanto, llegamos a la conclusión de que un conjunto de dos funciones es linealmente independiente cuando ninguna es múltiplo constante de la otra en el intervalo. Sean y, y,..., yn n, en un intervalo I sí y sólo sí n soluciones de la ecuación diferencial, lineal, homogénea y de orden I. Entonces, el conjunto de soluciones es linealmente independiente en W y, y,..., y 0 (4) n (Conocido como el wronskiano del conjunto de soluciones) para toda en el intervalo.

2 .5 Dependencia Lineal, Independencia Lineal, Wronskiano 75 Otra definición Definición.5. Dos funciones definidas en un intervalo abierto I, ( y y y ), se dice que son linealmente independientes en I si se cumple que ninguna es un múltiplo constante de la otra. Dos funciones se dice que son linealmente dependientes en un intervalo abierto si se cumple que no son linealmente independientes allí; esto es, una de ellas es un múltiplo constante de la otra. [] Siempre podemos determinar si dos funciones f y g son linealmente dependientes en un intervalo I observando si uno de los dos cocientes f / g o g/ f es una constante en I. Conjunto de Funciones Linealmente Dependientes Ejemplo.5. Teniendo y () t = sen ( t) y y () t = cos ( t) linealmente dependientes en el intervalo (0,). Podemos escribir c () sen t +c cos ( t) = 0 aplicando identidad trigonométrica se n ( t ) = cos ( t) combinación lineal de las funciones., determinar si son, si hacemos c = y c =, y, observamos que se cumple la Ejemplo.5. Teniendo = linealmente dependientes en el intervalo (0,). Podemos escribir () ( t) identidad trigonométrica sec () t = + tan ( t) funciones es igual a cero. y ( t ) tan t sec t y y ( t ) =, determinar si son c tan t sec +c = 0, haciendo c = y c =, y aplicando, observamos que la combinación lieal de las Ejemplo.5. El conjunto de las funciones f = sen, f = cos, f = sec, f ( ) = tan ( ) (5) 4

3 .5 Dependencia Lineal, Independencia Lineal, Wronskiano 76 π π Es linealmente dependiente en,. [] Porque c sen + c cos + c sec + c tan = 0 (6) 4 Cuando c = c =, c =, c =, (aplicando identidades). 4 Un conjunto de funciones f, f,... fn ( ) es linealmente dependiente en un intervalo al menos si una función se puede epresar como combinación lineal de las funciones restantes. Ejemplo.5.4 El conjunto de funciones f f f f = + 5, = + 5, =, 4 = (7) es linealmente dependiente, en el intervalo (0, ), porque f ( ) se puede escribir como una combinación lineal de f = f + ( 5) f intervalo (0, ). [] + 0 f ( ) para toda en el Nos interesan las funciones linealmente independientes, o mejor dicho las Soluciones Linealmente Independientes de una ecuación diferencial lineal. Los siguientes pares de funciones son linealmente independientes en toda la recta real 4 sen e e + y y y y y cos; e e ; ; Pero la función idénticamente cero y cualquier otra función f son linealmente dependientes en todo intervalo ya que 0* 0 f =

4 .5 Dependencia Lineal, Independencia Lineal, Wronskiano 77 También, las funciones f = sen y g = sen cos son linealmente dependientes en cualquier intervalo puesto que f = g (una identidad trigonométrica). Wronskiano Definición.5. Suponga que cada una de las funciones f, f,..., fn ( ) poseen al menos n derivadas, su determinante f fn f f f, f,... fn ( ))=.... n n f f W( n n formado por las funciones y sus n derivadas, se le conoce como Wronskiano de las funciones. Otra definición Definición.5.4 Wronskiano de soluciones Suponga que y y y son dos soluciones de la ecuación lineal homogénea de segundo orden y + p y + q y = 0 En el intervalo abierto I en el que p y q son continuas. Si y y son linealmente dependientes, en y I, entonces W( y, y ) = 0 (8) Si y y son linealmente independientes, en cada punto de y I, entonces W( y, y) 0 (9) Cómo podemos resolver el Wronskiano?

5 .5 Dependencia Lineal, Independencia Lineal, Wronskiano 78 Para resolver un determinante de, Para resolver un determinante de *, Una opción es agregando filas f f * W ( f, f ) = = [( f )] [ ( f )] Suponiendo que son tres funciones, agregamos filas en la parte inferior de la matriz (la primera y la segunda), y de manera cruzada (formando una diagonal) empezando por el elemento (,) f, multiplicamos los elementos, continuamos con el elemento (,),, los multiplicamos y se los sumamos al producto anterior, y hacemos lo propio terminando con el elemento (,) f, después restamos el producto de los elementos de la diagonal invertida ( diagonales) (,, ) f f f W f f f = f f f (,, ) = [( )( ) + ( )( ) + ( )( ) ] [( )( f ) + ( f )( ) + ( f )( ) ] W f f f f f f f f f f f f Otra opción es agregando columnas f f f f f W( f, f, f) = [ ] [( )( f ) ( f )( ) ( )( f )] W( f, f, f ) = ( f )( f )( f ) + ( f )( f )( f ) + ( f )( f )( f ) + + Otra manera de resolverlo sin tener que agregar filas o columnas es método de cofactores.

6 .5 Dependencia Lineal, Independencia Lineal, Wronskiano 79 El cual consiste en elegir una columna o un renglón de la matriz. (paso ) Seleccionamos un coeficiente de la columna o renglón. Si la suma de sus subíndices es par lo asociamos con un signo +, si la suma es impar con un signo -. La fila y la columna en que se encuentre el coeficiente las eliminamos. (paso ) Calculamos el determinante de la matriz que haya resultado multiplicándola por coeficiente con el signo que se le asoció. Realizamos el paso y el paso con los demás coeficientes de la columna o renglón que seleccionamos. Finalmente sumamos los valores obtenidos. Suponiendo que seleccionamos la fila f f f W( f, f, f) = W( f, f, f )= ( + )( f ) + ( )( f ) + ( + )( f ) f f f f f f Otra manera de resolverlo también sin tener que agregar filas o columnas es f f f Teniendo W( f, f, f) = Desarrollar W ( f, f, f) = [( f)( f )( f ) + ( f)( f )( f ) + ( f )( f )( f) ] [( )( f )( f ) + ( f )( f )( f ) + ( f )( f )( f )] Ejemplo.5.5 Comprobar si los conjuntos de funciones son linealmente independientes en, el intervalo

7 .5 Dependencia Lineal, Independencia Lineal, Wronskiano 80 Siendo f =, f =, f 4 hacia abajo sus n derivadas = escribimos las funciones en una fila, y 4 W,,4 = (0) Resolviendo el determinante agregando filas W,,4 = W = ( 6) + ()()(4 ) + (0)( )(4 6 ) + + (0)(4 ) ()(4 6 ) ()( )( 6) W,,4 = = 0 () Por lo tanto son linealmente dependientes Ejemplo.5.6 Teniendo f 0, f, f 0 = = = e W 0,, e = 0 e () 0 0 e e W 0,, e = (0)()( e ) + (0)(0)( e ) + ( e )(0) (0)()( e ) + (0)( e ) + (0)( e )(0) W 0,, e = 0 ()

8 .5 Dependencia Lineal, Independencia Lineal, Wronskiano 8 Como el wronskiano es igual a cero, son linealmente dependiente. Ejemplo.5.7 Determinar si son o no linealmente independiente las siguientes funciones f =, f ( ) =, f = + + W,, + = (4) W (,, + ) = ( + ) ( ) ( ) W,, + = (0) ( )(0) + ( + )(0) = 0, son linealmente dependientes Ejemplo.5.8 Determinar si son o no linealmente dependientes las siguientes funciones = +, =, = f f f + W +,, = (5) 0 0 W + = + + +,, ()() ()(0) (0) (0)()( ) + ()() + (0)( + ) W +,, = + = (6) En este caso el wronskiano es diferente de cero, son linealmente independiente Determinando soluciones linealmente independientes

9 .5 Dependencia Lineal, Independencia Lineal, Wronskiano 8 Sean y, y ( ), y n, n soluciones de la ecuación diferencial lineal homogénea de orden n, en un intervalo I. Entonces el conjunto de soluciones es linealmente independiente en I si y solo si el wronskiano es diferente de cero para toda en el intervalo. (W 0 I). [] Cuando un conjunto de soluciones es un conjunto fundamental de soluciones Todo conjunto y, y,..., yn de n soluciones linealmente independientes de la ecuación diferencial lineal homogénea de orden n, en un intervalo I es un conjunto fundamental de soluciones en el intervalo. Dadas dos funciones y y y, el wronskiano es el determinante de dichas funciones y sus derivadas y y W = = y y y y y y Escribimos ya sea W( y,y ) o W( ), dependiendo si deseamos enfatizar las dos funciones o el punto en el que se evaluará el wronskiano. Ejemplo.5.9 Siendo y e y e homogénea y 9y = 0 en el intervalo ( (, ), por inspección las soluciones son linealmente independientes en el eje, []. =, =, soluciones de la ecuación diferencial lineal Si observamos el wronskiano, podemos corroborar que el determinante es diferente de 0 para toda. e e We (, e = = ( e )( e ) ( e )( e ) = 6 e e (7) Llegando a la conclusión de que en consecuencia, y, y y = ce + ce, forman un conjunto fundamental de soluciones, y es la solución general de la ecuación en el intervalo. Ejemplo.5.0 Las funciones y = e, y = e, y = e satisfacen la ecuación diferencial

10 .5 Dependencia Lineal, Independencia Lineal, Wronskiano 8 y 6 y + y 6 y = 0 Su wronskiano e e e we (, e, e ) = e e e e 4e 9e w e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e (,, ) = ( ) ( ) we e e e 6 (,, ) = 0 Ejemplo.5. teniendo las funciones cos( ) y sen( ) su wronskiano sería sen cos cos W sen = = + sen sen (cos, ) cos = Para las funciones e y e tenemos e e We (, e) = e = e e + e. Siendo estos ejemplos de pares de soluciones linealmente independientes de ecuaciones diferenciales. De tal manera que dadas dos soluciones de la ecuación diferencial, eisten eactamente dos posibilidades El wronskiano W es idénticamente cero si las soluciones son linealmente dependientes. El wronskiano nunca es cero si las soluciones son linealmente independientes. La última condición es lo que se requiere para demostrar que y = cy + cy es la solución general de la ecuación diferencial de orden si y y y son soluciones linealmente independientes.

11 .5 Dependencia Lineal, Independencia Lineal, Wronskiano 84 Ejemplo.5. Dada la siguiente ecuación diferencial y funciones solución, determinar si son linealmente independientes o no. y y + y = 0 y = e y = e y = e y = e y = e y = 4e Sustituyendo en la ecuación diferencial y e ( e ) + ( e ) = 0 Sustituyendo en la ecuación diferencial y 4e ( e ) ( e ) + = 0 (8) 4e 6e + e = 0 e e We (, e ) e e e e e = = = Por lo tanto We (, e ) 0, y el conjunto de funciones son linealmente independientes Ejemplo.5. Dada la siguiente ecuación diferencial y soluciones determinar si son Linealmente independientes o no. y + y 6y = 0 y = y = Obteniendo las derivadas de ambas soluciones y = y = 4 y = y = 5 Sustituyendo en la ecuación diferencial y () + 6 = 0 (9)

12 .5 Dependencia Lineal, Independencia Lineal, Wronskiano =0 Sustituyendo en la ecuación diferencial y 5 4 ( ) + ( ) 6 = = 0 Observamos que sí las satisfacen, desarrollando el Wronskiano W (, ) = 4 W(, ) = = 5 0 (0) Observamos que el conjunto de funciones es linealmente independiente 5 5 Ejemplo.5.4 Teniendo y 0y + 5y = 0 y siendo y = e, y = e, comprobar si satisfacen las ecuaciones y si son o no linealmente independiente. y = e y 5 5 y = e + e y = 5e y y = 5e + 0e 5 5 Sustituyendo y y sus derivadas en la ecuación diferencial obtenemos e 0(5 e ) + 5e = 0 e e + e = () Sustituyendo y y sus derivadas en la ecuación diferencial obtenemos (5e + 0 e ) 0(5 e + e ) + 5e = 0 e e e e e = 0

13 .5 Dependencia Lineal, Independencia Lineal, Wronskiano 86 Por lo que las dos soluciones satisfacen la ecuación, y su Wronkiano es We e 5 5 (, ) 5 5 e e = e 5e + e We (, e ) = 5e + e 5e = e () 5 5 Como W( e, e ) 0, se concluye que son soluciones linealmente independiente al ser el wronskiano diferente de cero. Ejemplo.5.5 Teniendo y + 4y = 0 y = cos y = sen no linealmente independiente y si satisfacen la ecuación comprobar si son o y = sen y = cos y = 4cos y = 4sen Sustituyendo y y sus derivadas en la ecuación diferencial 4cos + 4 cos = 0 () sustituyendo y y sus derivadas en la ecuación diferencial 4sen + 4 sen =0 (4) Las dos funciones satisfacen la ecuación diferencial El Wronskiano W cos( ), sen sen cos = sen cos = + W cos, sen cos sen

14 .5 Dependencia Lineal, Independencia Lineal, Wronskiano 87 = + ( ) W cos, sen cos sen W cos, sen = () = por lo tanto son funciones linealmente independientes