Ecuaciones diferenciales

Documentos relacionados
Apéndice sobre ecuaciones diferenciales lineales

VELOCIDAD Y ACELERACION. RECTA TANGENTE.

1. ECUACIONES DIFERENCIALES ORDINARIAS

Modelización por medio de sistemas

Complementos de Análisis. Año 2016

Fundamentos matemáticos. Tema 8 Ecuaciones diferenciales

Tema 6: Ecuaciones diferenciales lineales.

Cálculo Diferencial en una variable

Métodos Matemáticos 2 Ecuaciones Diferenciales de Orden Superior

Introducción a Ecuaciones Diferenciales

2. Continuidad y derivabilidad. Aplicaciones

Soluciones de la ecuación diferencial lineal homogénea

3 Aplicaciones de primer orden

MAXIMOS Y MINIMOS RELATIVOS

INSTRUCCIONES GENERALES Y VALORACIÓN OPCIÓN A

Examen de Física-1, 1 Ingeniería Química Examen final. Septiembre de 2014 Problemas (Dos puntos por problema).

MATEMÁTICAS APLICADAS A LAS C.C. SOCIALES

1 Ecuaciones diferenciales

Cálculo en varias variables

Tema 2 Resolución de EcuacionesNo Lineales

3. Ecuaciones diferenciales. Mayo, 2009

En la notación C(3) se indica el valor de la cuenta para 3 kilowatts-hora: C(3) = 60 (3) = 1.253

Jorge Mozo Fernández Dpto. Matemática Aplicada

Ecuaciones diferenciales ordinarias de primer orden: problemas resueltos

DERIVADAS PARCIALES Y APLICACIONES

EJERCICIOS DE GEOMETRÍA PLANA. 1. Hallar las ecuaciones paramétricas de la recta r que pasa por el punto ( 2, 2) tiene como vector director el vector

1 Método de la bisección. 1.1 Teorema de Bolzano Teorema 1.1 (Bolzano) Contenido

Clase 9 Programación No Lineal

Ing ROBERTO MOLINA CUEVA FÍSICA 1

Proyecto. Tema 6 sesión 2: Generación de Rectas, Circunferencias y Curvas. Geometría Analítica. Isidro Huesca Zavaleta

Ecuaciones Diferenciales

Ecuaciones diferenciales homogéneas y no homogéneas lineales a coeficientes constantes. Búsqueda de la solución particular.

2.4 Ecuaciones diferenciales de Bernoulli

7 Ecuación diferencial ordinaria de orden n con coecientes constantes

Cálculo Integral Enero 2015

x = t 3 (x t) 2 + x t. (1)

Tema 11: Integral definida. Aplicaciones al cálculo de áreas

PROBLEMAS RESUELTOS SELECTIVIDAD ANDALUCÍA MATEMÁTICAS II TEMA 5: INTEGRALES

EL PROBLEMA DE LA TANGENTE

ECUACIÓN DE CAUCHY-EULER 2013

Describe el movimiento sin atender a las causas que lo producen. Utilizaremos partículas puntuales

Laboratorio Nº 1 La Descripción Gráfica de la Ecuación Diferencial Ordinaria

Ecuaciones diferenciales de primer orden

6.4 Método de solución de las ecuaciones diferenciales parciales (directos, equiparables con las ordinarias, separación de variables)

CONCEPTO DE CINEMÁTICA: es el estudio del movimiento sin atender a las causas que lo producen

Pruebas de Acceso a enseñanzas universitarias oficiales de grado Castilla y León

Ecuaciones diferenciales

2 o Bachillerato. Conceptos básicos

Técnicas numéricas para las Ecuaciones diferenciales de primer orden: Método de Euler

TEMA 8. GEOMETRÍA ANALÍTICA.

Integrales. 1. Calcular las siguientes integrales: dx x. iii) xsenx dx. ii) 3dx. Solución: i) Operando se tiene: x 2

Derivadas. Derivabilidad

Definición. Un conjunto de ecuaciones diferenciales con varias funciones incógnitas, se llama sistema de ecuaciones diferenciales.

Lección 4. Ecuaciones diferenciales. 1. Ecuaciones diferenciales de primer orden. Trayectorias ortogonales.

MATEMÁTICAS 2º BACH CC y TECN INTEGRAL DEFINIDA

Cinemática: parte de la Física que estudia el movimiento de los cuerpos.

EJERCICIOS UNIDADES 1, 2 Y 3

Unidad V. 5.1 Recta tangente y recta normal a una curva en un punto. Curvas ortogonales.

m=0 La ecuación de una recta se puede obtener a partir de dos puntos por los que pase la recta: y y1 = m(x x1)

CINEMÁTICA: ESTUDIO DEL MOVIMIENTO. Cinemática es la parte de la Física que estudia la descripción del movimiento de los cuerpos.

ECUACIONES DIFERENCIALES DE ORDEN SUPERIOR DE COEFICIENTES VARIABLES

Derivadas e integrales

INSTITUCIÓN EDUCATIVA GABRIEL TRUJILLO CORREGIMIENTO DE CAIMALITO, PEREIRA

2 Métodos de solución de ED de primer orden

MATEMÁTICAS 1º BACH. C. N. Y S. 25 de enero de 2010 Geometría y Logaritmos

DERIVADAS. Para hallar la pendiente de una curva en algún punto hacemos uso de la recta tangente de una curva en un punto.

Métodos Numéricos Grado en Informática Tema 5: Diferenciación e Integración Numérica

Algebra lineal y conjuntos convexos

Cálculo I (Grado en Ingeniería Informática) Problemas adicionales resueltos

CLAVE: MIS 206 PROFESOR: MTRO. ALEJANDRO SALAZAR GUERRERO

IES Fco Ayala de Granada Sobrantes del 2010 (Modelo 6) Soluciones Germán-Jesús Rubio Luna. Opción A

May 4, 2012 CAPÍTULO 5: OPTIMIZACIÓN

Sistemas lineales homogéneos

EJERCICIOS RESUELTOS DE INTEGRAL DEFINIDA

Función diferenciable Regla de la cadena (2 variables) Regla de la cadena (vectorial) Diferenciabilidad

Rectas y Planos en el Espacio

Modelos biológicos. Juan Ruiz Álvarez. Matemáticas (Grado en Biología) Introducción Modelos en tiempo discreto Modelos en tiempo continuo

1. SISTEMAS DE ECUACIONES DIFERENCIALES

Funciones reales. Números complejos

Interpretación geométrica de la derivada

es el lugar geométrico de los puntos p tales que p 0 p n o p 0 p o. p x ; y ; z perteneciente a y un vector no

UNIDAD II Ecuaciones diferenciales con variables separables

Dos inecuaciones se dice que son equivalentes cuando ambas tienen las mismas soluciones.

Apellidos: Nombre: para x 1, determina sus asíntotas. 4. Halla el valor de los parámetros m y n para que la función f sea continua en todo.

Teoría Tema 6 Ecuaciones de la recta

ECUACIONES POLINÓMICAS CON UNA INCÓGNITA

NÚMEROS COMPLEJOS: C

Diferenciación numérica: Método de Euler explícito

Movimiento armónico. Péndulos físico y de torsión.

5 Continuidad y derivabilidad de funciones reales de varias variables reales.

UNIVERSIDADES DE ANDALUCÍA PRUEBA DE ACCESO A LA UNIVERSIDAD

JUNIO Bloque A

Tema 11.- Autovalores y Autovectores.

Áreas entre curvas. Ejercicios resueltos

Función cuadrática. Ecuación de segundo grado completa

ECUACIONES EN DIFERENCIAS LINEALES CON COEFICIENTES CONSTANTES

Lección 1.- Ecuaciones Diferenciales de Primer Orden

Ecuaciones Diferenciales Ordinarias de Orden Superior al primero

Espacios Vectoriales Asturias: Red de Universidades Virtuales Iberoamericanas 1

Tema 3.- SISTEMAS DIFERENCIALES LINEALES Ampliación de Matemáticas. Ingeniería Técnica Industrial. Especialidad en Electrónica Industrial.

Transcripción:

de primer orden 21 de noviembre de 2016

de primer orden Introducción Introducción a las ecuaciones diferenciales Las primeras ecuaciones diferenciales surgen al tratar de resolver ciertos problemas de Mecánica y Geometría. Hoy en día, constituyen el modelo matemático de numerosos problemas físicos, y se han convertido en una herramienta fundamental para el estudio y desarrollo de diferentes aspectos de la teconología.

de primer orden Introducción La Catenaria es la curva que describe una cadena suspendida por sus extremos, sometida a un campo gravitatorio uniforme, con masa distribuida uniformemente. La ecuación diferencial correspondiente a la catenaria es x (t) = λ T H 1 + x (t) 2 donde λ es el peso por unidad de longitud y T H la tensión horizontal que aparecerá en los extremos del cable.

de primer orden Introducción Planteamiento de una ecuación diferencial Dada cierta función f, queremos obtener la función x(t) tal que f (t, x(t), x (t), x (t),..., x n) (t)) = 0 t es la variable independiente x(t) es la variable dependiente o función incógnita. n es el orden de la ecuación. La ecuación es autónoma si f (x(t), x (t), x (t),..., x n) (t)) = 0.

de primer orden Modelo de Malthus Modelo Logístico Segunda Ley de Newton Ley de Newton del Calentamiento Ecuaciones en derivadas parciales Ejemplo: Modelo de Malthus (crecimiento exponencial) Este modelo fue propuesto en 1798 por el economista y demógrafo Thomas Malthus. Suele ser útil como modelo estimativo para intervalos de tiempo no muy grandes. Se ha usado para el estudio de colonias de bacterias, poblaciones de pequeños mamíferos e incluso para población humana. Consideremos que p(t) es el tamaño de cierta población en el instante t. Según el modelo de Malthus, el crecimiento de la población seguiría un modelo de cierta tasa de crecimiento constante c (diferencia entre la tasa de natalidad y la tasa de mortalidad) y proporcional al tamaño de la población. p (t) = cp(t) La resolución de esta ecuación son las curvas de la forma p(t) = Ke ct, K > 0 donde K es el tamaño de la población en t = 0.

de primer orden Modelo de Malthus Modelo Logístico Segunda Ley de Newton Ley de Newton del Calentamiento Ecuaciones en derivadas parciales Ejemplo: Modelo de Malthus Se muestran las soluciones del modelo de Malthus para K = 5. c = 0,2 (azul), c = 0,1 (rojo), c = 0 (naranja).

de primer orden Modelo de Malthus Modelo Logístico Segunda Ley de Newton Ley de Newton del Calentamiento Ecuaciones en derivadas parciales Ejemplo: Modelo Logístico El Modelo de Malthus implica que multitud de factores no sean tenidos en cuenta, de hecho es un modelo extremadamente simple. Una sustancial mejora en las suposiciones del modelo de Malthus viene dada por el Modelo Logístico, propuesto por el matemático belga P. F. Verhulst en 1836. ( p (t) = c 1 p(t) ) K donde c es la tasa de crecimiento (con recursos ilimitados) y K la capacidad del sistema (n o máximo de individuos que admite)

de primer orden Modelo de Malthus Modelo Logístico Segunda Ley de Newton Ley de Newton del Calentamiento Ecuaciones en derivadas parciales Segunda Ley de Newton Consideremos una masa puntual m que se mueve a lo largo del eje OX y ocupa la posición x(t) en el instante t. El movimiento de la partícula lo produce una fuerza F que depende: De la posición x Del instante t De la velocidad v = dx de la partícula en el instante t dt De acuerdo con las leyes de la Mecánica, la fuerza produce una aceleración a = d 2 x d 2, de modo que t F (t) = mx (t)

de primer orden Modelo de Malthus Modelo Logístico Segunda Ley de Newton Ley de Newton del Calentamiento Ecuaciones en derivadas parciales Ley de Newton del Calentamiento y Enfriamiento La razón de cambio de la temperatura de un cuerpo en contacto con otro es proporcional a la diferencia de temperatura entre ambos. De esta manera, si T(t) representa la temperatura del cuerpo en el instante t y T 0 es la temperatura de otro cuerpo en contacto con él, o, en muchos casos, la temperatura del exterior o ambiente que rodea al cuerpo, y K es cierta constante, entonces la ley de Newton queda establecida por medio de la ecuación diferencial: T (t) = K(T 0 T (t)) La solución a esta ecuación es T (t) = T 0 Ce Kt

de primer orden Modelo de Malthus Modelo Logístico Segunda Ley de Newton Ley de Newton del Calentamiento Ecuaciones en derivadas parciales Ejemplo: Curva que desciende en la dirección de la máxima pendiente en una superficie dada por la ecuación z = f (x, y): o si escribimos X (t) = (x(t), y(t)), X (t) = f (X (t)), x (t) = f (x(t), y(t)), x y (t) = f (x(t), y(t)). y Es una ecuación diferencial de primer orden en dimensión 2.

de primer orden Modelo de Malthus Modelo Logístico Segunda Ley de Newton Ley de Newton del Calentamiento Ecuaciones en derivadas parciales Ejemplo: Una bola en una superficie dada por la ecuación z = f (x, y) sometida únicamente a la fuerza de la gravedad verifica la ecuación: o si escribimos X (t) = (x(t), y(t)), X (t) = g f (X (t)), x (t) = g f (x(t), y(t)), x y (t) = g f (x(t), y(t)), y donde g es la aceleración de la gravedad. Es una ecuación diferencial de segundo orden en dimensión 2.

de primer orden Modelo de Malthus Modelo Logístico Segunda Ley de Newton Ley de Newton del Calentamiento Ecuaciones en derivadas parciales Ecuaciones en derivadas parciales En una ecuación en derivadas parciales se trata de determinar una función de varias variables solución de una ecuación en la que aparecen las derivadas parciales de dicha función. Por ejemplo, la ecuación del calor es: u t = α ( 2 u x 2 + 2 u y 2 + 2 u z 2 donde se trata de determinar la función de cuatro variables u(x, y, z, t) que da la temperatura de cada punto del espacio en cada instante de tiempo. ),

de primer orden Ecuaciones del tipo x = g(t) Ecuaciones autónomas Ecuaciones de variables separadas Ecuaciones lineales Métodos numéricos Ecuación diferencial de primer orden Una ecuación diferencial de primer orden es x = f (t, x), (3.1) Una solución de la ecuación (3.1) es una función x : I R, siendo I un intervalo de R, tal que para todo t I Ejemplos: x (t) = f (t, x(t)) p(t) = e ct es solución de p (t) = cp(t). x(t) = sin t es solución de x (t) + x(t) = 0

de primer orden Ecuaciones del tipo x = g(t) Ecuaciones autónomas Ecuaciones de variables separadas Ecuaciones lineales Métodos numéricos Campo de pendientes Dada una ED, si en cada punto del plano (t, x) asignamos la recta que pasa por dicho punto y tiene pendiente f (t, x), obtenemos: Este es el denominado campo de pendientes de la ecuación. En cada punto (t, x(t)) de la gráfica de una solución, la pendiente de la recta tangente que pasa por dicho punto es x (t) = f (t, x(t)). Luego las soluciones son las curvas que en cada punto son tangentes a la recta asignada.

de primer orden Ecuaciones del tipo x = g(t) Ecuaciones autónomas Ecuaciones de variables separadas Ecuaciones lineales Métodos numéricos Problema de valor inicial El problema de valor inicial consiste en determinar las soluciones de x = f (t, x), x(t 0 ) = x 0, (3.2) donde f, t 0, x 0 son conocidos y (t 0, x 0 ) es una condición inicial.

de primer orden Ecuaciones del tipo x = g(t) Ecuaciones autónomas Ecuaciones de variables separadas Ecuaciones lineales Métodos numéricos Problema de valor inicial El problema de valor inicial consiste en determinar las soluciones de x = f (t, x), x(t 0 ) = x 0, (3.2) donde f, t 0, x 0 son conocidos y (t 0, x 0 ) es una condición inicial. Teorema Si f es diferenciable, entonces el problema de valor inicial tiene una única solución. En particular, si f es diferenciable, dos soluciones de x = f (t, x) no se pueden cortar.

de primer orden Ecuaciones del tipo x = g(t) Ecuaciones autónomas Ecuaciones de variables separadas Ecuaciones lineales Métodos numéricos Campo de pendientes para el problema de valor inicial Teniendo el campo de pendientes de una EDO, podemos dibujar las curvas solución que pasan por una condición inicial dada.

de primer orden Ecuaciones del tipo x = g(t) Ecuaciones autónomas Ecuaciones de variables separadas Ecuaciones lineales Métodos numéricos Ecuaciones del tipo x = g(t) Consideremos el problema de valor inicial x = g(t) x(t 0 ) = x 0 Podemos resolverlo así: dx = g(t) = dx = g(t)dt = dx = g(t)dt dt Luego x(t) = g(t)dt. Imponiendo x(t 0 ) = x 0, tenemos una única solución. Por ejemplo, x = t 2 + t + 1.

de primer orden Ecuaciones del tipo x = g(t) Ecuaciones autónomas Ecuaciones de variables separadas Ecuaciones lineales Métodos numéricos Una ecuación diferencial autónoma de primer orden es: Suponiendo que f (x(t)) 0, entonces x (t) = f (x(t)) dx dt = f (x(t)) dx t dx t = dt = f (x(t)) t 0 f (x(t)) = dt = t t 0 t 0 Despejando de esa ecuación, obtenemos la solución x(t).

de primer orden Ecuaciones del tipo x = g(t) Ecuaciones autónomas Ecuaciones de variables separadas Ecuaciones lineales Métodos numéricos Ejemplo Consideremos el problema de valor inicial Entonces t 2 x (t) = x 3 (t), dx t x 3 (t) = dt 2 x(2) = 1 = dx dt = x 3 (t) [ ] t 1 2x 2 = [t] t 2 = t 2 (t) 2 1 2x 2 (t) + 1 2 x(2) 2 = 1 2x 2 (t) + 1 2 = t 2 Despejando x 2 (t) = 1. Al hacer la raíz cuadrada tenemos que elegir un signo. 5 2t Elegimos + pues x(2) = 1. 1 x(t) = 5 2t

de primer orden Ecuaciones del tipo x = g(t) Ecuaciones autónomas Ecuaciones de variables separadas Ecuaciones lineales Métodos numéricos Campo de Pendientes El campo de pendientes de la ED x = x 3 se muestra a continuación. En verde se muestra la solución que pasa por el punto (2, 1).

de primer orden Ecuaciones del tipo x = g(t) Ecuaciones autónomas Ecuaciones de variables separadas Ecuaciones lineales Métodos numéricos Ecuaciones de variables separadas Las ecuaciones diferenciales de variables separadas tienen la forma x = g(t)f (x), (3.3) Tenemos e integrando: dx dt = g(t)f (x) = dx dx f (x) = Despejando obtenemos la solución x(t). f (x) = g(t)dt g(t) dt

de primer orden Ecuaciones del tipo x = g(t) Ecuaciones autónomas Ecuaciones de variables separadas Ecuaciones lineales Métodos numéricos Ejemplo Consideremos la ecuación Entonces Integrando x (t) = tx(t). dx x = tdt. ln( x ) = t2 2 + K. Despejando En función de la condición inicial tendremos el signo: x(2) = 1 x(t) = e 2+t2 /2 x(3) = 0 x(t) = 0 es la solución (0 es punto fijo). x(1) = 2 x(t) = 2e ( 1+t2 )/2 x(t) = ±Ke t2 /2

de primer orden Ecuaciones del tipo x = g(t) Ecuaciones autónomas Ecuaciones de variables separadas Ecuaciones lineales Métodos numéricos Campo de Pendientes El campo de pendientes de la ED x = tx se muestra a continuación. En verde se muestra la solución que pasa por el punto (2, 1), en azul la que pasa por (3, 0) y en rojo la que pasa por (1, 2)

de primer orden Ecuaciones del tipo x = g(t) Ecuaciones autónomas Ecuaciones de variables separadas Ecuaciones lineales Métodos numéricos Ejemplo Consideremos la EDO x = x/t. Puesto que dx dt = x dx t = x = dt t = ln x = ln t + C las soluciones son las rectas que pasan por el origen, de la forma x(t) = Kt.

de primer orden Ecuaciones del tipo x = g(t) Ecuaciones autónomas Ecuaciones de variables separadas Ecuaciones lineales Métodos numéricos Ecuaciones lineales Sean g(t) y h(t) funciones continuas definidas en el intervalo I. La ecuación x + g(t)x = h(t) es una ecuación diferencial lineal de primer orden. La ecuación es homogénea si es de la forma x + g(t)x = 0

de primer orden Ecuaciones del tipo x = g(t) Ecuaciones autónomas Ecuaciones de variables separadas Ecuaciones lineales Métodos numéricos Método de Resolución de Ecuaciones Lineales 1 Resolvemos la ecuación lineal homogénea asociada: x + g(t)x = 0 Es una ecuación de variables separadas, y la solución es x H = Ke g(t)dt 2 Buscamos una solución particular, mediante el método de variación de constantes, haciendo x P = K(t)e g(t)dt imponiendo que x P sea solución de x + g(t)x = h(t) 3 Las soluciones de la ecuación lineal son las funciones de la forma x = x P + x H

de primer orden Ecuaciones del tipo x = g(t) Ecuaciones autónomas Ecuaciones de variables separadas Ecuaciones lineales Métodos numéricos Método de Resolución de Ecuaciones Lineales Método de variación de constantes Como x(t) = K(t)e g(t)dt, x (t) = K (t)e g(t)dt K(t)e g(t)dt g(t) con lo cual, sustituyendo en la ecuación lineal, K (t)e g(t)dt K(t)e g(t)dt g(t) + g(t)k(t)e g(t)dt = h(t) Así es que tenemos una ecuación de variables separadas: K (t)e g(t)dt = h(t) = K (t) = h(t)e g(t)dt Luego K(t) = h(t)e g(t)dt

de primer orden Ecuaciones del tipo x = g(t) Ecuaciones autónomas Ecuaciones de variables separadas Ecuaciones lineales Métodos numéricos Problema de valor inicial En el caso de que tengamos un problema de valor inicial con una ED lineal, resolvemos la ecuación y luego imponemos el valor inicial x(t 0 ) = x 0. Ejemplos: 1 x x = e t, x(0) = 1 2 2(x 4t 2 ) + tx = 0, x(1) = 2 3 tx 2x = t 2, x(1) = 3

de primer orden Ecuaciones del tipo x = g(t) Ecuaciones autónomas Ecuaciones de variables separadas Ecuaciones lineales Métodos numéricos Método de Euler Queremos resolver x (t) = f (t, x(t)), x(t 0 ) = x 0. Vamos a tratar de aproximar numéricamente la solución, partiendo de t 0 y avanzando en pasos de longitud h. Es decir, calcular la solución en t 0, t 1 = t 0 + h, t 2 = t 0 + 2h,... Denotarmos x k a la aproximación de x(t k ). Podemos aproximar la solución en t k+1 por la tangente en (t k, x k ): x(t k+1 ) x(t k ) + x (t k )(t k+1 t k ) x k + f (t k, x k )h Es decir: x k+1 = x k + hf (t k, x k )

de primer orden Ecuaciones del tipo x = g(t) Ecuaciones autónomas Ecuaciones de variables separadas Ecuaciones lineales Métodos numéricos Ejemplo: método de Euler x 0 = 1, x 1 = 1 x 2 = x 1 + 0,2(t 1 x 1 + t 1 ) = 1 + 0,2(0,2 1 + 0,2) = 1,08 x 3 = x 2 + 0,2(t 2 x 2 + t 2 ) = 1,08+0,2(0,4 1,08+0,4) = 1,2464 x 4 = x 3 +0,2(t 3 x 3 +t 3 ) = 1,515968 x 5 = x 4 + 0,2(t 4 x 4 + t 4 ) = 1,91852288 Verde: solución en un paso de Euler Azul: solución en 5 pasos Rojo: solución real

de primer orden Ecuaciones del tipo x = g(t) Ecuaciones autónomas Ecuaciones de variables separadas Ecuaciones lineales Métodos numéricos Método de Euler modificado Integrando la ecuación x (t) = f (t, x(t)), tenemos: x(t) x(t k ) = t t k f (s, x(s)) ds. Calculando numéricamente dicha integral, tendremos nuevos métodos. Por ejemplo, por el método del trapecio: x k+1 x k + h 2 (f (t k, x k ) + f (t k+1, x k+1 )). Podemos aproximar f (t k+1, x k+1 ) por f (t k + h, x k + hf (t k, x k )), obteniendo el método de Euler modificado: x k+1 = x k + h 2 (f (t k, x k ) + f (t k + h, x k + hf (t k, x k )))

de primer orden Ecuaciones del tipo x = g(t) Ecuaciones autónomas Ecuaciones de variables separadas Ecuaciones lineales Métodos numéricos Ejemplo: método de Euler modificado x 0 = 1, x 1 = 1 x 2 = x 1 + 0,2(t 1 x 1 + t 1 ) = 1 + 0,2(0,2 1 + 0,2) = 1,08 x 3 = x 2 + 0,2(t 2 x 2 + t 2 ) = 1,08+0,2(0,4 1,08+0,4) = 1,2464 x 4 = x 3 +0,2(t 3 x 3 +t 3 ) = 1,515968 x 5 = x 4 + 0,2(t 4 x 4 + t 4 ) = 1,91852288 Azul: solución en 5 pasos de Euler Rojo: solución real Amarillo: Euler modificado

de primer orden Ecuaciones del tipo x = g(t) Ecuaciones autónomas Ecuaciones de variables separadas Ecuaciones lineales Métodos numéricos Método de Runge-Kutta Un método mucho más potente que los anteriores es el Método de Runge-Kutta (RK4). Conocido x k, calculamos la aproximación x k+1 como: x k+1 = x k + h 6 (f k 1 + 2f k2 + 2f k3 + f k4 ), donde f k1 = f (t k, x k ), f k2 = f (t k + h/2, x k + hf k1 /2), f k3 = f (t k + h/2, x k + hf k2 /2), f k4 = f (t k + h, x k + hf k3 )

de primer orden Ecuaciones con coeficientes constantes Problema de valor inicial Consideremos que tenemos una función f y la ecuación de segundo órden x (t) = f (t, x(t), x (t)). (4.1) Dados t 0, x 0, v 0 R, se denomina problema de valor inicial a x (t) = f (t, x(t), x (t)), x(t 0 ) = x 0, x (t 0 ) = v 0. y a (t 0, x 0, v 0 ) se denomina condición inicial.

de primer orden Ecuaciones con coeficientes constantes Problema de valor inicial Consideremos que tenemos una función f y la ecuación de segundo órden x (t) = f (t, x(t), x (t)). (4.1) Dados t 0, x 0, v 0 R, se denomina problema de valor inicial a x (t) = f (t, x(t), x (t)), x(t 0 ) = x 0, x (t 0 ) = v 0. y a (t 0, x 0, v 0 ) se denomina condición inicial. Teorema Si f es diferenciable, entonces el problema de valor inicial tiene una única solución.

de primer orden Ecuaciones con coeficientes constantes Ecuaciones lineales con coeficientes constantes Fijados a, b R, consideremos x + ax + bx = 0, (4.2)

de primer orden Ecuaciones con coeficientes constantes Ecuaciones lineales con coeficientes constantes Fijados a, b R, consideremos Probaremos con soluciones de la forma x(t) = e λt. x + ax + bx = 0, (4.2)

de primer orden Ecuaciones con coeficientes constantes Ecuaciones lineales con coeficientes constantes Fijados a, b R, consideremos x + ax + bx = 0, (4.2) Probaremos con soluciones de la forma x(t) = e λt. Sustituyendo en la ecuación: λ 2 e λt + aλe λt + be λt = 0.

de primer orden Ecuaciones con coeficientes constantes Ecuaciones lineales con coeficientes constantes Fijados a, b R, consideremos x + ax + bx = 0, (4.2) Probaremos con soluciones de la forma x(t) = e λt. Sustituyendo en la ecuación: λ 2 e λt + aλe λt + be λt = 0. Por tanto, x(t) = e λt es solución de la ecuación si y solo si λ es raíz de λ 2 + aλ + b = 0. Esta ecuación se denomina ecuación característica

de primer orden Ecuaciones con coeficientes constantes Ecuaciones lineales con coeficientes constantes Como el problema de valor inicial tiene solución única, todas las soluciones de x (t) + ax (t) + bx(t) = 0 dependerán de dos parámetros (para cada t 0 podemos elegir x 0 y v 0 ). Por otra parte, si x 1, x 2 son soluciones de la ecuación, entonces x(t) = c 1 x 1 (t) + c 2 x 2 (t) es solución de la ecuación para todo valor de c 1, c 2. Buscamos x 1, x 2 tales que fijado un tiempo t 0, los vectores (x 1 (t 0 ), x 1 (t 0)) y (x 2 (t 0 ), x 2 (t 0)) sean linealmente independientes.

de primer orden Ecuaciones con coeficientes constantes Discriminante positivo (a 2 4b > 0) La ecuación característica tiene dos raíces reales y distintas. Denotemos λ 1, λ 2 a dichas raíces.

de primer orden Ecuaciones con coeficientes constantes Discriminante positivo (a 2 4b > 0) La ecuación característica tiene dos raíces reales y distintas. Denotemos λ 1, λ 2 a dichas raíces. Entonces dos soluciones son: x 1 (t) = e tλ1, x 2 (t) = e tλ2.

de primer orden Ecuaciones con coeficientes constantes Discriminante positivo (a 2 4b > 0) La ecuación característica tiene dos raíces reales y distintas. Denotemos λ 1, λ 2 a dichas raíces. Entonces dos soluciones son: x 1 (t) = e tλ1, x 2 (t) = e tλ2. Todas las soluciones serán x(t) = c 1 x 1 (t) + c 2 x 2 (t).

de primer orden Ecuaciones con coeficientes constantes Discriminante nulo (a 2 4b = 0) λ = a/2 raíz doble de la ecuación característica. Tenemos que x 1 (t) = e ta/2 es una solución.

de primer orden Ecuaciones con coeficientes constantes Discriminante nulo (a 2 4b = 0) λ = a/2 raíz doble de la ecuación característica. Tenemos que x 1 (t) = e ta/2 es una solución. Una segunda solución es: x 2 (t) = te ta/2.

de primer orden Ecuaciones con coeficientes constantes Discriminante nulo (a 2 4b = 0) λ = a/2 raíz doble de la ecuación característica. Tenemos que x 1 (t) = e ta/2 es una solución. Una segunda solución es: x 2 (t) = te ta/2. Entonces todas las soluciones son: x(t) = c 1 x 1 (t) + c 2 x 2 (t).

de primer orden Ecuaciones con coeficientes constantes Discriminante negativo (a 2 4b < 0) Hay dos raíces conjugadas complejas de la ecuación característica, α ± βi, donde 4b a 2 α = a/2, β =. 2 Tenemos las soluciones siguientes (e a+bi = e a (cos b + i sen b)): x 1 = e tα cos(βt), x 2 = e tα sen(βt). Entonces todas las soluciones son x(t) = c 1 x 1 (t) + c 2 x 2 (t).