Ecuaciones Diferenciales
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- Andrés Ojeda Cordero
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1 Ecuaciones Diferenciales Manuel Valenzuela Rendón Centro de Sistemas Inteligentes Tecnológico de Monterrey, Campus Monterrey Octubre 2007 M. Valenzuela (Centro de Sistemas Inteligentes) Ecuaciones Diferenciales Octubre / 24
2 Ecuaciones Diferenciales Métodos numéricos para resolver ecuaciones diferenciales ordinarias 1 Euler Euler Euler Modificado 2 Runge-Kutta Runge-Kutta de cuarto orden 3 Ejemplo: RLC RLC serie Solución analítica 4 Variables de estado Definición Circuito RLC serie Espacio de estado Ecuaciones de Lotka-Volterra Banda de Rössler M. Valenzuela (Centro de Sistemas Inteligentes) Ecuaciones Diferenciales Octubre / 24
3 Euler Dada una ecuación diferencial ordinaria de la forma dy dt = y = f (t, y), se hace la aproximación Δy Δt dy dt. De donde se tiene que Δy = f (t, y)δt. Tomando h Δt se obtiene la regla recursiva del método de Euler: y y + h f (t, y) Se requiere una condición inicial y(t 0 )=y 0. M. Valenzuela (Centro de Sistemas Inteligentes) Ecuaciones Diferenciales Octubre / 24
4 Euler Dada una ecuación diferencial ordinaria de la forma dy dt = y = f (t, y), se hace la aproximación Δy Δt dy dt. De donde se tiene que Δy = f (t, y)δt. Tomando h Δt se obtiene la regla recursiva del método de Euler: y y + h f (t, y) Se requiere una condición inicial y(t 0 )=y 0. M. Valenzuela (Centro de Sistemas Inteligentes) Ecuaciones Diferenciales Octubre / 24
5 Euler Modificado Escribiendo la fórmula de Euler como una ecuación en términos de la iteración k tenemos que: y k+1 = y k + h f (t k, y k ) El valor y k+1 anterior es una aproximación del valor real de y(t k+1 ), por lo tanto, llamémosle ŷ k+1 : ŷ k+1 = y k + h f (t k, y k ) Ahora, apliquemos la misma idea de la regla recursiva de Euler, pero tomemos el promedio de f (t k, y k ) y f (t k+1, ŷ k+1 ): y k+1 = y k + h f (t k, y k )+f(t k+1, ŷ k+1 ) 2 Escribiendo esto como una regla recursiva queda: o lo que es lo mismo ŷ y + h f (t, y) f (t, y)+f (t + h, ŷ) y y + h 2 f (t, y)+f (t + h, y + hf(t, y)) y y + h 2 M. Valenzuela (Centro de Sistemas Inteligentes) Ecuaciones Diferenciales Octubre / 24
6 Euler Modificado Escribiendo la fórmula de Euler como una ecuación en términos de la iteración k tenemos que: y k+1 = y k + h f (t k, y k ) El valor y k+1 anterior es una aproximación del valor real de y(t k+1 ), por lo tanto, llamémosle ŷ k+1 : ŷ k+1 = y k + h f (t k, y k ) Ahora, apliquemos la misma idea de la regla recursiva de Euler, pero tomemos el promedio de f (t k, y k ) y f (t k+1, ŷ k+1 ): y k+1 = y k + h f (t k, y k )+f(t k+1, ŷ k+1 ) 2 Escribiendo esto como una regla recursiva queda: o lo que es lo mismo ŷ y + h f (t, y) f (t, y)+f (t + h, ŷ) y y + h 2 f (t, y)+f (t + h, y + hf(t, y)) y y + h 2 M. Valenzuela (Centro de Sistemas Inteligentes) Ecuaciones Diferenciales Octubre / 24
7 Euler Modificado Escribiendo la fórmula de Euler como una ecuación en términos de la iteración k tenemos que: y k+1 = y k + h f (t k, y k ) El valor y k+1 anterior es una aproximación del valor real de y(t k+1 ), por lo tanto, llamémosle ŷ k+1 : ŷ k+1 = y k + h f (t k, y k ) Ahora, apliquemos la misma idea de la regla recursiva de Euler, pero tomemos el promedio de f (t k, y k ) y f (t k+1, ŷ k+1 ): y k+1 = y k + h f (t k, y k )+f(t k+1, ŷ k+1 ) 2 Escribiendo esto como una regla recursiva queda: o lo que es lo mismo ŷ y + h f (t, y) f (t, y)+f (t + h, ŷ) y y + h 2 f (t, y)+f (t + h, y + hf(t, y)) y y + h 2 M. Valenzuela (Centro de Sistemas Inteligentes) Ecuaciones Diferenciales Octubre / 24
8 Euler Modificado Escribiendo la fórmula de Euler como una ecuación en términos de la iteración k tenemos que: y k+1 = y k + h f (t k, y k ) El valor y k+1 anterior es una aproximación del valor real de y(t k+1 ), por lo tanto, llamémosle ŷ k+1 : ŷ k+1 = y k + h f (t k, y k ) Ahora, apliquemos la misma idea de la regla recursiva de Euler, pero tomemos el promedio de f (t k, y k ) y f (t k+1, ŷ k+1 ): y k+1 = y k + h f (t k, y k )+f(t k+1, ŷ k+1 ) 2 Escribiendo esto como una regla recursiva queda: o lo que es lo mismo ŷ y + h f (t, y) f (t, y)+f (t + h, ŷ) y y + h 2 f (t, y)+f (t + h, y + hf(t, y)) y y + h 2 M. Valenzuela (Centro de Sistemas Inteligentes) Ecuaciones Diferenciales Octubre / 24
9 que se puede escribir como: k 1 hf(t, y) k 2 hf(t + h, y + k 1 ) y y (k 1 + k 2 ) M. Valenzuela (Centro de Sistemas Inteligentes) Ecuaciones Diferenciales Octubre / 24
10 Runge-Kutta de cuarto orden k 1 hf(t, y) ( ) k 2 hf t h, y k 1 ( ) k 3 hf t h, y k 2 k 4 hf(t + h, y + k 3 ) y y (k 1 + 2k 2 + 2k 3 + k 4 ) M. Valenzuela (Centro de Sistemas Inteligentes) Ecuaciones Diferenciales Octubre / 24
11 RLC serie R L v i (t) + C Haciendo una ecuación de malla se obtiene: v i (t) =i(t)r + L di(t) + 1 t i(t) dt dt C t=t 0 La corriente en el capacitor es i(t) =C dvc(t) dt pause Sustituyendo en la primera ecuación ponemos todo en términos del voltaje en el capacitor, v c(t): v i (t) =RC dvc(t) + LC d 2 v c(t) + v c(t) dt d 2 t M. Valenzuela (Centro de Sistemas Inteligentes) Ecuaciones Diferenciales Octubre / 24
12 RLC serie R L v i (t) + C Haciendo una ecuación de malla se obtiene: v i (t) =i(t)r + L di(t) + 1 t i(t) dt dt C t=t 0 La corriente en el capacitor es i(t) =C dvc(t) dt pause Sustituyendo en la primera ecuación ponemos todo en términos del voltaje en el capacitor, v c(t): v i (t) =RC dvc(t) + LC d 2 v c(t) + v c(t) dt d 2 t M. Valenzuela (Centro de Sistemas Inteligentes) Ecuaciones Diferenciales Octubre / 24
13 Solución analítica Para R = 1 L = 10 C = 0.5 v i (t) = 0 y condiciones iniciales de v c(0) =1y dvc(0) = 0, la ecuación diferencial tiene la dt siguiente solución analítica: v c(t) =e 0.05t ( sen( t)+cos( t)) M. Valenzuela (Centro de Sistemas Inteligentes) Ecuaciones Diferenciales Octubre / 24
14 Variables de estado Las variables de estado de un sistema se definen como el conjunto mínimo de variables, x 1 (t), x 2 (t),...,x n(t) tal que el conocimiento de estas variables para cualquier tiempo t 0, más la información de la entrada aplicada al sistema a partir del tiempo t 0 es suficiente para determinar el estado del sistema para cualquier tiempo t > t 0. Las variables de estado no se deben confundir con las salidas de un sistema. Una salida es una variable que puede ser medida, en cambio una variable de estado a menudo no puede ser medida. Sin embargo, usualmente la salida de un sistema se define como función de las variables de estado. Las variables de estado no son únicas. M. Valenzuela (Centro de Sistemas Inteligentes) Ecuaciones Diferenciales Octubre / 24
15 Variables de estado Las variables de estado de un sistema se definen como el conjunto mínimo de variables, x 1 (t), x 2 (t),...,x n(t) tal que el conocimiento de estas variables para cualquier tiempo t 0, más la información de la entrada aplicada al sistema a partir del tiempo t 0 es suficiente para determinar el estado del sistema para cualquier tiempo t > t 0. Las variables de estado no se deben confundir con las salidas de un sistema. Una salida es una variable que puede ser medida, en cambio una variable de estado a menudo no puede ser medida. Sin embargo, usualmente la salida de un sistema se define como función de las variables de estado. Las variables de estado no son únicas. M. Valenzuela (Centro de Sistemas Inteligentes) Ecuaciones Diferenciales Octubre / 24
16 Variables de estado Las variables de estado de un sistema se definen como el conjunto mínimo de variables, x 1 (t), x 2 (t),...,x n(t) tal que el conocimiento de estas variables para cualquier tiempo t 0, más la información de la entrada aplicada al sistema a partir del tiempo t 0 es suficiente para determinar el estado del sistema para cualquier tiempo t > t 0. Las variables de estado no se deben confundir con las salidas de un sistema. Una salida es una variable que puede ser medida, en cambio una variable de estado a menudo no puede ser medida. Sin embargo, usualmente la salida de un sistema se define como función de las variables de estado. Las variables de estado no son únicas. M. Valenzuela (Centro de Sistemas Inteligentes) Ecuaciones Diferenciales Octubre / 24
17 Variables de estado para el circuito RLC Definimos las siguientes variables de estado: x 1 = v c(t) x 2 = x 1 Por lo tanto v i (t) =RCx 2 + LC x 2 + x 1 y despejando x 2 tenemos que x 2 = 1 LC x 1 R L x LC v i(t) Podemos escribir las ecuaciones anteriores en forma matricial: [ x ] [ ][ ] [ x1 0 = + x 2 1/LC R/L x 2 1/LC ] v i (t) M. Valenzuela (Centro de Sistemas Inteligentes) Ecuaciones Diferenciales Octubre / 24
18 Variables de estado para el circuito RLC Definimos las siguientes variables de estado: x 1 = v c(t) x 2 = x 1 Por lo tanto v i (t) =RCx 2 + LC x 2 + x 1 y despejando x 2 tenemos que x 2 = 1 LC x 1 R L x LC v i(t) Podemos escribir las ecuaciones anteriores en forma matricial: [ x ] [ ][ ] [ x1 0 = + x 2 1/LC R/L x 2 1/LC ] v i (t) M. Valenzuela (Centro de Sistemas Inteligentes) Ecuaciones Diferenciales Octubre / 24
19 Variables de estado para el circuito RLC Definimos las siguientes variables de estado: x 1 = v c(t) x 2 = x 1 Por lo tanto v i (t) =RCx 2 + LC x 2 + x 1 y despejando x 2 tenemos que x 2 = 1 LC x 1 R L x LC v i(t) Podemos escribir las ecuaciones anteriores en forma matricial: [ x ] [ ][ ] [ x1 0 = + x 2 1/LC R/L x 2 1/LC ] v i (t) M. Valenzuela (Centro de Sistemas Inteligentes) Ecuaciones Diferenciales Octubre / 24
20 Variables de estado para el circuito RLC Definimos las siguientes variables de estado: x 1 = v c(t) x 2 = x 1 Por lo tanto v i (t) =RCx 2 + LC x 2 + x 1 y despejando x 2 tenemos que x 2 = 1 LC x 1 R L x LC v i(t) Podemos escribir las ecuaciones anteriores en forma matricial: [ x ] [ ][ ] [ x1 0 = + x 2 1/LC R/L x 2 1/LC ] v i (t) M. Valenzuela (Centro de Sistemas Inteligentes) Ecuaciones Diferenciales Octubre / 24
21 Un ejemplo Tomando R = 1, L = 10, y C = 0.5 se tiene que [ x ] [ = x ][ x1 x 2 ] [ ] v i (t) Los valores característicos (eigenvalores) de la matriz [ 0 1 ] son λ 1,2 = 0.05 ± j0.4444, estos valores pueden verse en la solución analítica de la ecuación diferencial. M. Valenzuela (Centro de Sistemas Inteligentes) Ecuaciones Diferenciales Octubre / 24
22 Un ejemplo Tomando R = 1, L = 10, y C = 0.5 se tiene que [ x ] [ = x ][ x1 x 2 ] [ ] v i (t) Los valores característicos (eigenvalores) de la matriz [ 0 1 ] son λ 1,2 = 0.05 ± j0.4444, estos valores pueden verse en la solución analítica de la ecuación diferencial. M. Valenzuela (Centro de Sistemas Inteligentes) Ecuaciones Diferenciales Octubre / 24
23 Comportamiento de un sistema El comportamiento de un sistema mediante variables de estado puede observarse en el tiempo, es decir x 1 (t), x 2 (t),...,x n(t), o en el espacio estado, es decir x 1 vs. x 2...x n. M. Valenzuela (Centro de Sistemas Inteligentes) Ecuaciones Diferenciales Octubre / 24
24 Solución para R = 1, L = 10, y C = 0.5 Para v i (t) =0, y condiciones iniciales de x 1 (0) =1yx 2 (0) = x1 x t M. Valenzuela (Centro de Sistemas Inteligentes) Ecuaciones Diferenciales Octubre / 24
25 Espacio de estado para circuito RLC x x 1 M. Valenzuela (Centro de Sistemas Inteligentes) Ecuaciones Diferenciales Octubre / 24
26 Otro circuito RLC más complejo R 1 L 1 L 2 v i (t) + C R 2 Escribiendo dos ecuaciones de malla se obtiene que: di 1 (t) v i (t) = i 1 (t)r 1 + L t (i 1 (t) i 2 (t)) dt dt C 0 = 1 C t t 0 (i 2 (t) i 1 (t)) dt + L 2 di 2 (t) dt t 0 + i 2 (t)r 2 M. Valenzuela (Centro de Sistemas Inteligentes) Ecuaciones Diferenciales Octubre / 24
27 Recordando que la corriente en el capacitor es i c(t) =i 1 (t) i 2 (t) =C dvc(t) dt y sustituyendo en las ecuaciones anteriores: v i (t) = i 1 (t)r 1 + L 1 di 1 (t) dt 0 = v c(t)+l 2 di 2 (t) dt + v c(t) + i 2 (t)r 2 M. Valenzuela (Centro de Sistemas Inteligentes) Ecuaciones Diferenciales Octubre / 24
28 Definimos como variables de estado las corrientes en las inductancias y el voltaje en el capacitor: x 1 = i 1 (t) x 2 = i 2 (t) x 3 = v c(t) de donde las ecuaciones de estado en forma matricial son las siguientes: x 1 R 1 /L 1 0 1/L 1 x 1 1/L 1 x 2 = 0 R 2 /L 2 1/L 2 x v i (t) x 1/C 1/C 0 x Si la salida del sistema es el voltaje de la restencia R 2, la ecuación de salida es y = [ 0 R 2 0 ] x 1 x 2 x 3 M. Valenzuela (Centro de Sistemas Inteligentes) Ecuaciones Diferenciales Octubre / 24
29 Definimos como variables de estado las corrientes en las inductancias y el voltaje en el capacitor: x 1 = i 1 (t) x 2 = i 2 (t) x 3 = v c(t) de donde las ecuaciones de estado en forma matricial son las siguientes: x 1 R 1 /L 1 0 1/L 1 x 1 1/L 1 x 2 = 0 R 2 /L 2 1/L 2 x v i (t) x 1/C 1/C 0 x Si la salida del sistema es el voltaje de la restencia R 2, la ecuación de salida es y = [ 0 R 2 0 ] x 1 x 2 x 3 M. Valenzuela (Centro de Sistemas Inteligentes) Ecuaciones Diferenciales Octubre / 24
30 Solución en el tiempo x 1 (0) =x 2 (0) =x 3 (0) =0, R 1 = 0.1, R 2 = 0.2, L 1 = 5, L 2 = 10, C = 1, v i (t) =sin(0.2πt) 2 x x t M. Valenzuela (Centro de Sistemas Inteligentes) Ecuaciones Diferenciales Octubre / 24
31 Solución en espacio de estado x 1 (0) =x 2 (0) =x 3 (0) =0, R 1 = 0.1, R 2 = 0.2, L 1 = 5, L 2 = 10, C = 1, v i (t) =sin(0.2πt) 4 2 x x x M. Valenzuela (Centro de Sistemas Inteligentes) Ecuaciones Diferenciales Octubre / 24
32 Otros conjuntos de variables de estado para el circuito RLC Existen muchos conjuntos de varialbles de estado. Para este caso, entre otros muchos conjuntos tenemos los siguientes: Los voltajes en R 1, R 2 y C Los voltajes en L 1, L 2,yR 2 Los voltajes de nodo etc. M. Valenzuela (Centro de Sistemas Inteligentes) Ecuaciones Diferenciales Octubre / 24
33 Ecuaciones de Lotka-Volterra La relación entre una población de presas X y una población de depredores Y se puede modelar como: dx dt dy dt = K 1 AX K 2 XY = K 2 XY K 3 BY definiendo a = K 1 A, b = K 3 B,yk = K 3, y las variables de estado x 1 = X y x 2 = Y : x 1 = ax 1 kx 1 x 2 x 2 = kx 1 x 2 bx 2 Este sistema de ecuaciones diferenciales no lineales tiene un comportamiento periódico para a = b = k = 1. M. Valenzuela (Centro de Sistemas Inteligentes) Ecuaciones Diferenciales Octubre / 24
34 Ecuaciones de Lotka-Volterra La relación entre una población de presas X y una población de depredores Y se puede modelar como: dx dt dy dt = K 1 AX K 2 XY = K 2 XY K 3 BY definiendo a = K 1 A, b = K 3 B,yk = K 3, y las variables de estado x 1 = X y x 2 = Y : x 1 = ax 1 kx 1 x 2 x 2 = kx 1 x 2 bx 2 Este sistema de ecuaciones diferenciales no lineales tiene un comportamiento periódico para a = b = k = 1. M. Valenzuela (Centro de Sistemas Inteligentes) Ecuaciones Diferenciales Octubre / 24
35 Solución de las ecuaciones de Lotka-Volterra Resolviendo para los valores anteriores para diferentes condiciones iniciales se obtiene la siguiente gráfica: Y X M. Valenzuela (Centro de Sistemas Inteligentes) Ecuaciones Diferenciales Octubre / 24
36 Banda de Rössler El siguiente sistema de ecuaciones x = y z y = x + ay z = b + z(x c) produce comportamiento caótico para a = 0.398, b = 2, y c = 4. Definiendo las variables de estado x 1 = x, x 2 = y, yx 3 = z: x 1 = x 2 x 3 x 2 = x 1 + ax 2 x 3 = b + x 3 (x 1 c) M. Valenzuela (Centro de Sistemas Inteligentes) Ecuaciones Diferenciales Octubre / 24
37 Banda de Rössler El siguiente sistema de ecuaciones x = y z y = x + ay z = b + z(x c) produce comportamiento caótico para a = 0.398, b = 2, y c = 4. Definiendo las variables de estado x 1 = x, x 2 = y, yx 3 = z: x 1 = x 2 x 3 x 2 = x 1 + ax 2 x 3 = b + x 3 (x 1 c) M. Valenzuela (Centro de Sistemas Inteligentes) Ecuaciones Diferenciales Octubre / 24
38 Caos Resolviendo las ecuaciones anteriores para condiciones inciales igual a cero se obtiene la siguiente gráfica z y x M. Valenzuela (Centro de Sistemas Inteligentes) Ecuaciones Diferenciales Octubre / 24
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