ECUACIONES DIFERENCIALES ORDINARIAS, MAT1532 SEGUNDA INTERROGACIÓN

Transcripción

1 ECUACIONES DIFERENCIALES ORDINARIAS, MAT53 SEGUNDA INTERROGACIÓN PROFESORES ISABEL FLORES Y ROLANDO REBOLLEDO Ejercicio. [5%] () Resuelva x 6x + 9x = t. () Considere el sistema: x = x + z y = y z = y 3z. Indique la naturaleza del punto crítico (0, 0, 0). (3) Responda a la misma pregunta para (0, 0), dado el sistema x = x y y = x + 4y. Nota: En todos estos ejercicios se otorgará puntaje sólo por resultado correcto. Solución. () La solución es ϕ(t) = t + 9 t + c e 3 t + c e 3 t t () Los valores propios son (con multiplicidad ) y -3. El punto (0,0,0) es entonces un punto silla. (3) La traza de la matriz de coeficientes del sistema es 5; el determinante es 0; el discriminante es 5 > 0. El punto (0, 0) es entonces un foco repulsor. Problema. [5%] Un bloque rectangular descansa sobre la superficie interior de un carro y está sujeto a una de las paredes por un resorte de

2 PROFESORES ISABEL FLORES Y ROLANDO REBOLLEDO coeficiente de elasticidad = [newton/m]. El roce entre el bloque y el carro es de tipo viscoso de coeficiente λ =. Suponga que el carro está en movimiento uniforme con velocidad de [m/seg] hacia la derecha antes de t = 0. En el instante t = 0 se aplica una fuerza que frena el movimiento de manera uniforme, deteniéndose el carro al cabo de segundo. a) Explique porqué la fuerza F (t) que actúa sobre el bloque tiene la forma { si 0 t () F (t) = 0 si t >, y plantee las ecuaciones del movimiento de éste, escogiendo su sistema de coordenadas al interior del carro (colocando el origen en el punto del carro donde originalmente estaba el centro de gravedad del bloque). b) Resuelva la ecuación y describa el movimiento del bloque. Nota: Al inicio de la prueba se especificó que la masa del bloque se considera unitaria. Solución. Describimos aquí el método más rápido en este caso, que es el de la Transformada de Laplace. a) La fuerza tiene la forma especificada pues es unitaria, actúa en sentido contrario al movimiento y por el lapso de un segundo. Con el sistema de coordenadas especificado, el problema con valores iniciales que describe el sistema se escribe: x + x + x = F (t) x(0) = 0, x (0) = 0. b) La función F es de orden exponencial al infinito, luego las soluciones de la ecuación tienen transformada de Laplace. Aplicando dicha transformada se obtiene: Es decir, La expresión (λ + λ + )Lx(λ) = L(F )(λ). Lx(λ) = LF (λ). (λ + ) (λ + ),

3 ECUACIONES DIFERENCIALES ORDINARIAS,MAT53SEGUNDA INTERROGACIÓN3 corresponde a la derivada de la función /(λ+) con respecto a λ. En consecuencia es la transformada de la función g(t) = te t. Tenemos entonces Lx(λ) = Lg(λ)LF (λ). Aquí tenemos dos caminos posibles: uno consiste en expresar la transformada de F con ayuda de las funciones de Heaviside, luego multiplicar por la transformada de g y reconocer la expresión de la expresión resultante como una transformada conocida. La otra manera, más rápida, consiste en notar que al producto de transformadas corresponde un producto de convolución de funciones. De modo que x(t) = g F (t) = g(s)f (t s)ds 0 = [0,] (t) g(s)ds ], [ (t) g(s)ds 0 t = [0,] (t)(te t + e t ) + ], [ (t)(te t + e t te (t ) ). Y reagrupando los términos de la igualdad anterior se obtiene x(t) = (t + )e t + H (t) ( te (t )). Problema. [30%] Se trata de resolver el problema con valores iniciales x + t x + ( ) 4t x = t /, (t > 0) x() =, x () = 0. () Comience por demostrar que existe una solución de la ecuación homogénea que tiene la forma t ν cos t, (t > 0), y construya una base de soluciones de dicha ecuación. () Encuentre una solución particular de la ecuación no homogénea y resuelva el problema con valores iniciales. Solución. () Un reemplazo de t ν cos t en la ecuación homogénea permite encontrarν = /. Llamamos ϕ (t) = t / cos t el primer elemento de la base de soluciones así construido. Aquí tenemos al menos dos posibilidades: el lector que quiere ahorrar trabajo buscará reemplazar en la ecuación una función

4 4 PROFESORES ISABEL FLORES Y ROLANDO REBOLLEDO parecida a ϕ, digamos ϕ (t) = t / sen t. No es una mala idea, pero ella es mejor si hace el reemplazo de una tal ϕ en la ecuación de Liouville, pues así mostrará al mismo tiempo que es solución y que es linealmente independiente de ϕ. Felicitamos a quienes hayan procedido así y explicamos aquí abajo el camino que consiste en obtener ϕ de la ecuación de Liouville. Para plantear la ecuación de Liouville escogemos como tiempo inicial y W () = / por conveniencia. Se tiene W (t) = W ()e s ds = t. La solución ϕ que buscamos debe satisfacer la ecuación lineal: ϕ = ϕ ϕ ϕ + t ϕ, cuya solución general se escribe const. ϕ (t) + ϕ (t) s(ϕ (s)) ds. De todas estas soluciones basta escoger como ϕ la que se obtiene con la constante 0, es decir aquélla que se reduce al segundo sumando en la expresión de aquí arriba, es decir: ϕ (t) = ϕ (t) Pero, luego, s(ϕ (s)) ds = ϕ (t) ds = tg(t), cos s ϕ (t) = t / sen t. cos (s) ds. () Un reemplazo de la función t t / en la ecuación muestra inmediatamente que ϕ p (t) = t / es solución particular de la ecuación no homogénea. Si no, se puede usar el método de variación de parámetros para llegar a la misma conclusión. Luego, la solución general de la ecuación no homogénea es ϕ(t) = c t / cos t + c t / sen t + t /. Al imponer las condiciones iniciales en se obtiene la solución al problema con valores iniciales propuesto: ϕ(t) = ( )t / cos t ( + )t / sen t + t /.

5 ECUACIONES DIFERENCIALES ORDINARIAS,MAT53SEGUNDA INTERROGACIÓN5 Problema 3. [30%] Un cilindro vertical de altura h, está cerrado por su extremidad inferior (o base) y tiene una tapa de la cual pende un resorte de coeficiente de elasticidad y largo h/ en reposo. El cilindro está lleno de un líquido viscoso que opone un roce proporcional a la velocidad de desplazamiento en su interior, según una constante de proporcionalidad λ. Sobre la extremidad libre del resorte, se cuelga una esfera de masa m y radio inferior a aquél del cilindro. () Plantee las ecuaciones del movimiento de la esfera. () Qué relación deben cumplir las constantes m, h,, λ para que la esfera oscile rozando el fondo una sola vez? Obtenga una expresión que debe satisfacer el tiempo para que la esfera roce el fondo. Solución. Como se indicó al inicio de la prueba, en este problema se considera la esfera reducida a un punto de masa m, para que su radio no intervenga en la resolución. () Colocando el origen en el punto de equilibrio del resorte y el eje vertical orientado según el peso, la segunda ley de Newton nos permite plantear la siguiente ecuación para la trayectoria x de la esfera: mx = mg λx x. De modo que el problema con valores iniciales correspondiente es: x + λ m x + x = g, m x(0) = 0, x (0) = 0. () En el problema con valores inciales anterior, el polinomio característico es: L(s) = s + λ m s + m. Para que la esfera oscile se necesita que las raíces de L sean complejas y conjugadas, de donde una primera condición es que el discriminante sea negativo, donde = ( λ m ) 4 m. Es decir, debemos tener, en primer lugar, () λ m

6 6 PROFESORES ISABEL FLORES Y ROLANDO REBOLLEDO (3) En este caso tenemos una base de soluciones de la ecuación homogénea dada por las funciones ) ) e λ t m cos t, e λ t m sen t. Se observa que una solución particular evidente de la ecuación no homogénea planteada es mg/. Luego, la solución general es ϕ(t) = e λ m t [c cos ϕ(t) = mg ) t + c sen Aplicando las condiciones iniciales tenemos c = mg c = λg. Es decir )] t + mg. ( ) λ mg e m t cos t + λg sen Para que sólo se roce el fondo una vez se necesita que (4) sup ϕ(t) = h t 0. (5) mg (6) )) t En otros términos debe existir un tiempo T tal que este máximo sea alcanzado, y que la velocidad en ese instante sea 0 (a partir de ese momento la esfera comienza a subir). Luego T debe verificar λ e y e λ m T ( λg cos ( mg m T cos ) T mg ) T + λg sen )) T = h, )) sen T = λ ( h m mg ).