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- Clara Quintero Herrero
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1 Tabla d contnido Página Ecuacions d ordn suprior Ecuacions homogénas d sgundo ordn con coficints constants Caso. Raícs rals distintas 6 Caso. Raícs compljas conjugadas 6 Caso. Raícs rals iguals 7 Rsumn Bibliografía rcomndada Párrafo no 4 Autovaluación formativa 5
2 Copright 999 FUNDACION UNIVERSITARIA SAN MARTIN Facultad d Ingniría d Sistmas. Sistma d Educación Abirta a Distancia. Santa F d Bogotá, D.C. Prohibida la rproducción total o parcial sin autorización por scrito dl Prsidnt d la Fundación. La rdacción d st fascículo stuvo a cargo d JAIME PRECIADO LOPEZ Sd Santa F d Bogotá, D.C. Disño instruccional orintación a cargo d MARIANA BAQUERO DE PARRA Disño gráfico diagramación a cargo d SANTIAGO BECERRA SAENZ ORLANDO DIAZ CARDENAS Imprso n: GRAFICAS SAN MARTIN Call 6A No Tls.: Santa F d Bogotá, D.C.
3 Ecuacions d ordn suprior En st fascículo comnzarmos l studio d las cuacions d ordn suprior; studiarmos las cuacions linals d sgundo ordn con coficints constants su forma d solución, hacindo uso d una cuación qu llamamos cuación auiliar o caractrística d la cuación difrncial dada. Admás vrmos jmplos para cada uno d los casos qu rsultan al studiar dicha cuación. Al trminar l studio dl prsnt fascículo, l studiant: Rconoc la forma d una cuación difrncial linal con coficints constants. Asocia a cada cuación difrncial con coficints constants, la cuación caractrística corrspondint. Difrncia las solucions d una cuación d sgundo ordn con coficints constants d acurdo con las raícs d la cuación caractrística. Rsulv corrctamnt cuacions difrncials linals d sgundo ordn con coficints constants. Ecuacions homogénas d sgundo ordn con coficints constants La cuación a ( ) a( ) k( ) s una cuación difrncial linal d sgundo ordn; vamos a rsolvr st tipo d cuacions pro hacindo un par d suposicions qu simplifican normmnt la situación, vamos: i. Harmos qu a ( ) () a san constants ii. Igualarmos la cuación a cro, s dcir, k () 0
4 Con stas suposicions nustra cuación s convirt n a a la cual podmos nombrar como cuación difrncial linal homogéna d sgundo ordn con coficints constants. 0 () Una cuación difrncial linal homogéna d sgundo ordn tin dos solucions qu son indpndints (s dcir, ninguna s múltiplo d la otra); si llamamos V ( ) () qu la combinación linal d llas V a stas solucions s pud mostrar C ( ) V ( ) C ( ) V ( ) también s solución d nustra cuación difrncial. Pro, cómo rsolvr una cuación linal homogéna d sgundo ordn?. Si pnsamos un poco rcordamos la solución d una cuación linal d primr ordn, con coficint constant como: k 0 corrspond a una función ponncial d la forma: c k sto nos llva a pnsar qu una cuación difrncial linal d sgundo ordn como () ha d tnr una solución d la forma: k () para algún k apropiado, vamos, si drivamos dos vcs la cuación() k k k al rmplazar stas drivadas n () obtnmos: d dond: k ( k a k k k ak a) a k k 0 k 0 4
5 como k nunca s cro, k s solución d () para un valor d k apropiado qu satisfaga la cuación cuadrática k a k a 0 () la cuación () s conoc como cuación caractrística o cuación auiliar d la cuación (). Para rsolvr () podmos hacr uso d la formula cuadrática obtnr las raícs k k por tanto las funcions a a k a a 4a 4a k son solución d () con los valors obtnidos para k. Es imprscindibl n stos momntos rcordar qu al solucionar una cuación cuadrática como lo s la cuación caractrística pudn prsntars trs casos: Caso. Las solucions son rals distintas. Caso. Las solucions son compljas conjugadas. Caso. Las solucions son iguals rals. Ahora, vamos a studiar cada uno d stos casos por sparado. Rcurda qu las solucions d una cuación homogéna son llamadas raícs. 5
6 Caso. Raícs rals distintas Si al rsolvr la cuación caractrística () s obtinn dos solucions rals distintas k k ntoncs: k k son solucions d (), podmos dar la solución gnral hacindo: k k C C Ejmplo Rsolvamos la cuación Rconocmos sta cuación como una cuación difrncial linal d sgundo ordn con coficints constants; por tanto la cuación caractrística corrspond a: k 6k 7 0 quivalnt a ( k 7)( k ) 0 d dond podmos ncontrar las raícs 7 k k,por tanto las raícs d nustra cuación caractrística son rals distintas, así, la solución gnral d nustra cuación s: C 7 C Caso. Raícs compljas conjugadas Si al rsolvr la cuación caractrística () obtnmos las raícs compljas conjugadas k i ntoncs la solución gnral d () s C cos( ) C sn( ) Ejmplo Rsolvamos la cuación difrncial linal homogéna d sgundo ordn 4 0 6
7 La cuación caractrística s k 4k 0 ; si aplicamos la cuación cuadrática obtnmos: 4 k 4 6 k ( 4) 4( )( ). así, las raícs d la cuación caractrística son compljas conjugadas; por tanto la solución gnral d la cuación difrncial s C cos C Caso. Raícs rals iguals sn Si al rsolvr la cuación caractrística () obtnmos como solución una única raíz ral, o lo qu s lo mismo, dos raícs k rptidas, la solución gnral d () corrspond: k C C k Ejmplo Rsolvamos La cuación caractrística d sta difrncial linal d sgundo ordn s: o k 0k 5 0 (k 5) 0 así la raíz s k 5 por tanto s una raíz ral rptida, ntoncs la solución gnral d la cuación difrncial s C 5 C 5 7
8 Podmos rsumir la forma d solución d una cuación difrncial linal d sgundo ordn con coficints constants con l siguint cuadro. Para la cuación difrncial a a 0 hallamos las raícs d la cuación cuadrática o auiliar k ak a 0 Si las raícs son: La solución gnral s: k i. k k con k k C k ii. k k con k k C C iii. Si k k son compljas i k i C k k C cos C sn Las cuacions linals d sgundo ordn con coficints constants, s pudn rsolvr también con condicions inicials; dcimos condicions inicials porqu hmos notado la istncia d dos constants arbitrarias a la solución gnral d una cuación d st tipo; por sto podmos ncontrar la solución particular a una cuación difrncial linal d sgundo ordn si conocmos condicions inicials, por jmplo para, vamos algunos jmplos. Ejmplo Rsolvamos 0 0, con ( 0) ( 0) 0 La cuación caractrística d nustra cuación difrncial s: d dond k k 0 0 ( k 5)( k ) 0 8
9 así, tnmos dos raícs rals distintas, llas son k 5 por tanto la solución gnral s: o C 5 ) C C 5 C si rmplazamos la condición inicial ( 0) obtnmos d dond: C C C C () k, para rmplazar la sgunda condición inicial ( 0) 0 ncsitamos hallar ( ), ntoncs drivando 5 ( ) C C obtnmos rmplazando: d dond: ( ) 5C 0 5C 0 5C C 5 C C () así, runindo () () dbmos rsolvr l sistma d cuacions d dond 7 C la solución gnral particular C C C 0 5C C 5 7 ; podmos rmplazar stos valors n 5 ( ) C C ncontrar la solución 9
10 ) Ejmplo Rsolvamos 4 0 con las condicions inicials ( 0) 4 La cuación caractrística s: k 4 0 para la cual las raícs son compljas conjugadas k 0 i i d dond la solución gnral d nustra cuación corrspond a: o 0 ) C cos C 0 sn ) C cos C sn Rmplazando la condición ( 0) obtnmos d dond C n C cos 0 C sn0 C, si rmplazamos la sgunda condición 4 cos C sn s obtin 4 4 C así, la solución particular s: ) cos sn Podmos tndr l método visto a cuacions d ordn suprior; supongamos la cuación 0
11 a n n a n n a a a0 0 Con a i constants rals, podmos asociar a cuación auiliar a n n nm an m am am a0 ahora buscamos las raícs sta cuación, la m i d sta cuación, si todas son rals distintas la solución d nustra cuación difrncial s: c m c m c n m n 0 Las raícs también podrían sr algunos rals rptidos otras compljas conjugadas, si por jmplo m s una raíz d multiplicidad k, ntoncs la solución gnral d la antrior prsión s: m m m k m c c c ck vamos algunos jmplos. Ejmplo " " Rsolvamos La cuación auiliar s m 4m 5m 0 podmos factorizarla como: o m m m 4m 5 0 m 5m 0 d dond la raícs son rals, distintas corrspondn a 0, 5, -, la solución gnral s: o c 0 c 5 5 c c c c
12 Ejmplo ( Rsolvamos 6 4 ) " La cuación auiliar s 6m 4m 9 0, qu podmos factorizar como: ( 4m ) 0 d dond sus raícs son múltipls compljas conjugadas; por tanto: m m i m m4 i así, la solución gnral s i i i i c c c c4 Lonhard Eulr (707 78): gnio suizo d la matmática, dotado con prodigiosa mmoria podr d concntración. El matmático Lonhard Eulr ncontró una idntidad conocida como la fórmula d Eulr, qu nos pud simplificar la solución ncontrada; dicha fórmula corrspond a: i cos isn Emplando la formula d Eulr podmos scribir nustra solución como c 5 cos c6isn c7 cos si hacmos 9 c6i c 8i c0 c obtnmos c 5 cos c9sn c7 cos c c 0 8 isn sn
13 . a. En los siguints problmas ncuntra la solución gnral d la cuación difrncial dada d d d d " " " " b. En los siguints problmas ncuntra la cuación difrncial dada sujta a las condicions inicials indicadas:. 6 0; 0), ( 0) ; 0) 4, ( 0). 0; 0), ( 0) 0 En st fascículo hmos studiado l método d solución d las cuacions difrncials linals d sgundo ordn con coficints constants; para llo hmos mplado la cuación auiliar o caractrística d grado asociada a la cuación difrncial, distinguindo trs casos d solución tnindo n cunta si las raícs d la cuación auiliar son rals distintas, conjugadas imaginarias o rals iguals. Rainvill, Earl D. otros. Ecuacions difrncials. Ed. Prntic Hall. Méico: octava dición. 997, cap..
14 Zill, Dnnis G. Ecuacions difrncials con aplicacions d modlado. Méico Ed. Intr. Thomson Editors, sta dición, 000, cap. 4. En l próimo fascículo continuarmos l trabajo con las cuacions difrncials d ordn suprior; trabajarmos cuacions no homogénas, coficints indtrminados variación d parámtros. 4
15 Autovaluaciónformativa Ecuacions difrncials - Fascículo No. Nombr Apllidos Fcha Ciudad Smstr Rsulv cada uno d los problmas plantados:. 0 0; 0) 5, ( 0). 0; 0, " 0 5
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Tabla d contnido Página Ecuacions actas linals Ecuacions difrncials actas Torma 4 Solución d una cuación difrncial acta Ecuacions linals 1 Solución d una cuación linal 1 Rsumn 19 Bibliografía rcomndada
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