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Ecuación diferencial ordinaria

En matemáticas, una ecuación diferencial ordinaria (comúnmente abreviada "EDO") es la ecuación diferencial que relaciona una función desconocida de una variable independiente con sus derivadas. Es decir, una sola variable independiente (a diferencia de las ecuaciones diferenciales parciales que involucran derivadas parciales de varias variables), y una o más de sus derivadas respecto de tal variable.

La trayectoria de un proyectil lanzado desde un cañón sigue una curva definida por una ecuación diferencial ordinaria que se deriva de la segunda ley de Newton.

Introducción

Recursos de la física, la ingeniería, la economía, la meteorología, la biología, la química y en aplicaciones como las de modelado en ciencias, se las estudia en diversas áreas (como geometría, mecánica y astronomía) y perspectivas.

Matemáticamente, es de conveniente interés, la obtención de una familia de funciones que verifican una ecuación y establecen la solución general. Solo las ecuaciones diferenciales más sencillas admiten soluciones dadas por fórmulas explícitas (como las lineales asociadas a una teoría desarrollada prácticamente por completo). No obstante, pueden determinarse algunas propiedades de las soluciones de una ecuación diferencial sin requerirse su formulación exacta, clave para resolver la mayoría de las ecuaciones diferenciales no lineales de sumo interés en numerosos casos. Casos carentes de una fórmula auto-contenida para su solución que se suple con la aproximada numéricamente con el auxilio crucial de las computadoras.

La matemática pura centra el foco formal en la solución, su existencia y si es o no única. La aplicada controla la validez de los métodos para la solución numéricamente aproximada y el rigor de las justificaciones con que se los sustenta.

La teoría de los sistemas dinámicos prioriza el análisis cualitativo de sistemas descritos por ecuaciones diferenciales mientras se han venido sumando numerosos métodos numéricos para determinar soluciones con un grado dado de precisión.

En ingeniería, ciencias naturales y sociales hay muchos problemas de interés que, cuando se plantean, exigen la determinación de una función la cual debe verificar una ecuación que involucra derivadas de la función desconocida. Dichas ecuaciones se denominan ecuaciones diferenciales. Tal vez el ejemplo más conocido es la ley de Newton:[1]

 

Importancia

Isaac Newton se daba cuenta de la importancia que tenían las ecuaciones diferenciales para el análisis de los fenómenos de la naturaleza. En sus renombrados "Principios matemáticos de la filosofía natural" (1687) que engloban mecánica newtoniana, empiezan con la ecuación diferencial del movimiento. Esta ecuación se considera como axioma, mientras que los planteamientos posteriores de la mecánica son, de hecho, teoremas que se derivan de dicho axioma, así como de la ley de gravitación universal que se desgaja de los hechos experimentales (leyes de Kepler) y del mencionado axioma:[2]

 

Una ecuación diferencial ordinaria (EDO) puede plantearse, siendo F una relación o función, como

(1a) 

... para representar la EDO en que la función incógnita (también conocida como variable dependiente), lo es de una única variable independente.

En general, una ecuación diferencial lineal de orden n puede formularse, siendo cada   una función dependiente de t, como:

(1b) 

Una solución de la ecuación (1a) o (1b) será una "familia" de curvas o funciones del tipo   que substituida dentro de la ecuación la convierte en una igualdad en la que todos los términos son conocidos.

En la formulación más simple, la función incógnita es una función para cierto valor real o complejo pero con mayor generalidad, puede serlo para el valor de un vector o matriz, lo que lleva a considerar un sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias (EDO) para una única función.

Definiciones

Sea  , tal que  ,   la n-ésima derivada de  , entonces una ecuación diferencial ordinaria (EDO) de orden n tiene la siguiente forma:

    (2)

Para funciones vectoriales,

 ,

la ecuación (2) es llamada un sistema de ecuaciones lineales diferenciales de dimensión m.

Cuando una ecuación diferencial de orden n tiene la forma

 

es llamada una ecuación diferencial implícita, mientras que en la forma

 

es llamada una ecuación diferencial explícita.

Una ecuación diferencial que no depende de x es denominada autónoma.

Se dice que una ecuación diferencial es lineal si F puede ser escrita como una combinación lineal de las derivadas de y

 

siendo, tanto  como  funciones continuas de x. La función r(x) es llamada el término fuente (traducido del inglés source term); si r(x)=0 la ecuación diferencial lineal es llamada homogénea, de lo contrario es llamada no homogénea.


Soluciones

Dada una ecuación diferencial

 

una función u: IRR es llamada la solución, y su gráfica se llama curva integral de F,[3]​ si u es n veces derivable en I, y

 

Dadas dos soluciones u: JRR y v: IRR, u es llamada una extensión de v si IJ, y

 

Una solución que no tiene extensión es llamada una solución general.[cita requerida]

Una solución general de una ecuación de orden n es una solución que contiene n variables arbitrarias, correspondientes a n constantes de integración. Una solución particular es derivada de la solución general mediante la fijación de valores particulares para las constantes, a menudo elegidas para cumplir condiciones iniciales. Una solución singular es la que no puede derivarse de la general.

Solución de una EDO de primer orden

Si se considera una ecuación diferencial de la forma:

 )

una ecuación de primer orden resuelta con respecto a la derivada, se llama su solución general de la anterior ecuación diferencial, será una función del tipo:

 

que depende de una constante arbitraria C. Satisface ecuación diferencial para cualquier valor de la constante C. Además cualquiera que sea la condición inicial

 

siempre se puede asignar un valor C0 a la constante C, tal que la función y = φ(x, C0) satisfaga la condición inicial dada. Se presume que el punto (x0, y0) está en un intervalo donde se cumplen las condiciones de existencia y de unicidad de la solución.[4]​ Las soluciones se pueden encontrar con auxilio de transformaciones idénticas y de cambios de variables.[5]

Condiciones iniciales

En general si no se especifican ciertos valores iniciales o de contorno, que debe satisfacer la solución de una ecuación diferencial como (1) entonces no existirá una solución [particular] única, es decir, una única función que satisfaga la ecuación diferencial. Para una ecuación diferencial lineal de orden n por ejemplo se requieren n condiciones iniciales o de contorno, para que exista una única función que cumpla simultáneamente la ecuación diferencia y las condiciones de contorno. Si solo se especifican condiciones iniciales el problema de encontrar una función que satisfaga la ecuación diferencial y las condiciones iniciales se denomina problema de Cauchy. Si se especifican condiciones que no son solo condiciones de contorno pueden tenerse problemas diferentes como los problemas de Sturm-Liuville.

Tipos y forma de resolución

Existen diversos tipos de ecuaciones diferenciales ordinarias, cada una con una forma de resolución distinta; para clasificarlas, hay que hacer la diferencia entre ecuaciones diferenciales de primer orden y ecuaciones de orden superior (ya que las primeras son, por lo general, de más fácil resolución).

Existencia y unicidad de soluciones

El teorema de Peano-Picard garantiza la existencia de una solución y su unicidad para toda ecuación diferencial ordinaria lineal con coeficientes continuos en un intervalo. Para el caso de ecuaciones diferenciales no lineales no existen resultados análogos al de Peano-Picard.

El teorema de Peano-Picard demuestra la existencia mediante una demostración constructiva, para un sistema de ecuaciones diferenciales lineales de primer orden. Puesto que toda ecuación diferencial lineal de orden arbitrario puede reducirse a un sistema de ecuaciones diferenciales de primer orden, se sigue del teorema de Peano-Picard la existencia y unicidad de la solución. La idea del teorema es simple construye una sucesión de Cauchy funciones cuyo límite es precisamente la solución del sistema. La demostración de la unicidad por otra parte resulta trivial.

Soluciones analíticas

Existen métodos de resolución generales para ecuaciones diferenciales ordinarias lineales que permiten encontrar soluciones analíticas. En particular si los coeficientes de la ecuación lineal son constantes o periódicos la solución es casi siempre fácil de construir. Para coeficientes no constantes o no periódicos, pero que son desarrollables en serie de Taylor o serie de Laurent es aplicable con ciertas restricciones el método de Frobenius. Otra posibilidad es reducir una ecuación diferencial lineal de orden n a un sistema de n ecuaciones diferenciales lineales de primer orden.

Para las ecuaciones diferenciales ordinarias no lineales no existen métodos generales.

Soluciones numéricas

Algunos de los métodos de solución numérica de ecuaciones diferenciales son el método de Runge-Kutta, los métodos multipaso y los métodos de extrapolación.

Ecuaciones diferenciales ordinarias de primer orden

Una ecuación diferencial de primer orden con el valor inicial se expresa de la siguiente forma:

 

Donde   es la condición inicial.

Entre los tipos de EDOs de primer orden se encuentran:[6]

Ecuación de variables separables

Son EDOs de la forma:

 

Estas se pueden expresar en la forma:

 

En donde se procede integrando ambos miembros de la ecuación

 

De la anterior es posible obtener la solución general. Se supondrá que las funciones g y h son continuas.[5]

Ecuación exacta

Una ecuación de la forma:

 

se dice exacta si existe una función F que cumpla:

 

y

 

Su solución es entonces:

 

EDO de primer orden y homogénea

La ecuación diferencial ordinaria de primer orden:

 

Para resolver se usa la sustitución y=xv, siendo v= v(x) una función desconocida. Sin embargo, la palabra 'homogénea' asume otro significado, dentro del estudio de las EDOs, fuera de este contexto.

Ecuación lineal

Una ecuación diferencial es lineal si presenta la forma:

 

Y que tienen por solución:

 

Como se puede apreciar, esta ecuación es una ecuación diferencial de Bernoulli, con n=0.

Ecuación de Bernoulli

Una ecuación diferencial de Bernoulli, que es a su vez una generalización de la ecuación diferencial lineal, fue formulada por Jakob Bernoulli y resuelta por su hermano, Johann Bernoulli y presenta la forma:

 

En la cual, si se hace la sustitución  , la ecuación se transforma en una ecuación lineal con z como variable dependiente, resolviéndose de manera análoga.

Ecuación de Riccati

Esta ecuación diferencial introducida por Jacopo Francesco Riccati presenta la estructura:

 

Para resolverla, se debe hacer la sustitución  , donde   es una solución particular cualquiera de la ecuación.

Ecuación de Lagrange

Una ecuación diferencial de Lagrange [cita requerida] presenta la forma:

 

Resolviéndose con la sustitución  , diferenciando y sustituyendo dy por pdx, se convierte a otra considerada en x como función de p, es lineal. Resolviendo está última  , se halla la solución general de la ecuación inicial en forma paramétrica:

  1.  
  2.   donde p es un parámetro.

Además la ecuación de Lagrange puede tener soluciones singulares de la forma  , siendo c una raíz de la ecuación  .[7]

Ecuación de Clairaut

Una ecuación diferencial de Clairaut, llamada así en honor a Alexis-Claude Clairaut, tiene la forma:

 

Como se puede apreciar, esta ecuación es una forma particular de la ecuación diferencial de Lagrange, con  , por lo cual, su resolución es análoga a la anterior.

Ecuación de Jacobi

Ecuaciones diferenciales ordinarias de segundo orden

Muchos problemas físicos importantes tanto en mecánica como en electromagnetismo conllevan la resolución de ecuaciones diferenciales de segundo orden.

Ecuación lineal con coeficientes constantes

La ecuación diferencial de segundo orden con coeficientes constantes tiene la forma:

 

La resolución de esta ecuación depende de las raíces del polinomio característico:

 

En función de cómo sean las raíces de dicho polinomio se distinguen tres casos posibles y distintos:

  • Caso 1: dos raíces reales y distintas  , en este caso la solución general tiene la forma:

 

  • Caso 2: dos raíces reales e iguales  , en este caso la solución general tiene la forma:

 

  • Caso 3: dos raíces complejas conjugadas  , en este caso la solución general tiene la forma:

 

El último término de esta última ecuación está relacionado con la integral de Duhamel.

Ecuación diferencial de Euler-Cauchy

Esta ecuación tiene la forma:

 

Y puede resolverse mediante el cambio de variable   que transforma la ecuación anterior en una ecuación de coeficientes constantes resoluble por los métodos de la sección anterior:

 

Ecuaciones de Bessel

La ecuación diferencial de Bessel, aparece con frecuencia en la resolución del problema de Dirichlet en coordenadas cilíndricas. Dicha ecuación tiene la forma:

 

Esta ecuación es resoluble mediante las llamadas funciones de Bessel:

 

Además de esta ecuación existe otra ecuación resoluble mediante funciones de Bessel. La ecuación diferencial de Bessel modificada, aparece con frecuencia en la resolución del problema de Dirichlet en coordenadas cilíndricas. Dicha ecuación tiene la forma:

 

Cuya solución viene dada por:

 

Ecuación de Legendre

La ecuación diferencial de Legendre, aparece con frecuencia en la resolución del problema de Dirichlet en coordenadas esféricas. La ecuación tiene la forma:

 

Cuando n es un entero una de las dos soluciones independientes que conforman la solución general de la ecuación anterior es el polinomio de Legendre de grado n:

 

Las solución general puede expresarse en la forma:

 , o bien,  

Donde:

 

 , y  

Ecuaciones diferenciales ordinarias de orden superior

Ecuación lineal de orden n con coeficientes constantes

La ecuación diferencial lineal de orden n con coeficientes constantes es de la siguiente forma:

 

Donde los términos   representan constantes   En el caso homogéneo cuando el segundo miembro es idénticamente nulo, las soluciones de esta ecuación se pueden obtener a partir de la raíces del polinomio característico de la ecuación:

 

En el caso de que todas las raíces sean diferentes la solución viene dada por:

 

En el caso de que existan varias raíces múltiples, existiendo solo k raíces diferentes y siendo   la multiplicidad de la raíz i-ésima, la solución general es de la forma:

 

Las multiplicidades de cada raíz son el exponente de la siguiente descomposición:

 

Véase también

Referencias

Bibliografía

  • Aranda Iriarte, José Ignacio (2009). Apuntes de ecuaciones diferenciales I. Universidad Complutense de Madrid. 
  • Boyce; Di Prima (1991). Ecuaciones diferenciales y problemas con valores en la frontera. ISBN 968-18-0107-5. OCLC 991704064. 
  • Bronson, Richard (1990). Ecuaciones diferenciales modernas. Impreso en Editorial Nomos, Bogotá: Mc Graw-Hill. ISBN 9684513186. OCLC 634286982. 
  • Filíppov, A. F. (2007). Introducción a la teoría de ecuaciones diferenciales. Moscú: URSS. ISBN 978-5-484-00999-2. OCLC 630590315. 
  • Kiseliov, A.; Krasnov, M.; Makarenko, G. (1987). Problemas de ecuaciones diferenciales ordinarias. Moscú: Mir. 
  • Teschl, Gerald (2012). Ordinary Differential Equations and Dynamical Systems. Graduate Studies in Mathematics (en inglés) 140. AMS. ISBN 978-0-8218-8328-0. 
  • Zeldovich, Iakov Borisovich; Yaglom, Isaak Moiseevich (1987). Matemáticas superiores: para los físicos y técnicos principiantes. Moscú: Mir. 

Enlaces externos

  •   Wikilibros alberga un libro o manual sobre Ecuaciones Diferenciales Ordinarias. (en inglés).
  • Soluciones exactas de Ecuaciones Diferenciales Ordinarias
  • Métodos de resolución de Ecuaciones Diferenciales Ordinarias
  •   Datos: Q465274
  •   Multimedia: Ordinary differential equations

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En matematicas una ecuacion diferencial ordinaria comunmente abreviada EDO es la ecuacion diferencial que relaciona una funcion desconocida de una variable independiente con sus derivadas Es decir una sola variable independiente a diferencia de las ecuaciones diferenciales parciales que involucran derivadas parciales de varias variables y una o mas de sus derivadas respecto de tal variable La trayectoria de un proyectil lanzado desde un canon sigue una curva definida por una ecuacion diferencial ordinaria que se deriva de la segunda ley de Newton Indice 1 Introduccion 1 1 Importancia 2 Definiciones 2 1 Soluciones 2 2 Condiciones iniciales 3 Tipos y forma de resolucion 3 1 Existencia y unicidad de soluciones 3 2 Soluciones analiticas 3 3 Soluciones numericas 4 Ecuaciones diferenciales ordinarias de primer orden 4 1 Ecuacion de variables separables 4 2 Ecuacion exacta 4 3 EDO de primer orden y homogenea 4 4 Ecuacion lineal 4 5 Ecuacion de Bernoulli 4 6 Ecuacion de Riccati 4 7 Ecuacion de Lagrange 4 8 Ecuacion de Clairaut 4 9 Ecuacion de Jacobi 5 Ecuaciones diferenciales ordinarias de segundo orden 5 1 Ecuacion lineal con coeficientes constantes 5 2 Ecuacion diferencial de Euler Cauchy 5 3 Ecuaciones de Bessel 5 4 Ecuacion de Legendre 6 Ecuaciones diferenciales ordinarias de orden superior 6 1 Ecuacion lineal de orden n con coeficientes constantes 7 Vease tambien 8 Referencias 8 1 Bibliografia 9 Enlaces externosIntroduccion EditarRecursos de la fisica la ingenieria la economia la meteorologia la biologia la quimica y en aplicaciones como las de modelado en ciencias se las estudia en diversas areas como geometria mecanica y astronomia y perspectivas Matematicamente es de conveniente interes la obtencion de una familia de funciones que verifican una ecuacion y establecen la solucion general Solo las ecuaciones diferenciales mas sencillas admiten soluciones dadas por formulas explicitas como las lineales asociadas a una teoria desarrollada practicamente por completo No obstante pueden determinarse algunas propiedades de las soluciones de una ecuacion diferencial sin requerirse su formulacion exacta clave para resolver la mayoria de las ecuaciones diferenciales no lineales de sumo interes en numerosos casos Casos carentes de una formula auto contenida para su solucion que se suple con la aproximada numericamente con el auxilio crucial de las computadoras La matematica pura centra el foco formal en la solucion su existencia y si es o no unica La aplicada controla la validez de los metodos para la solucion numericamente aproximada y el rigor de las justificaciones con que se los sustenta La teoria de los sistemas dinamicos prioriza el analisis cualitativo de sistemas descritos por ecuaciones diferenciales mientras se han venido sumando numerosos metodos numericos para determinar soluciones con un grado dado de precision En ingenieria ciencias naturales y sociales hay muchos problemas de interes que cuando se plantean exigen la determinacion de una funcion la cual debe verificar una ecuacion que involucra derivadas de la funcion desconocida Dichas ecuaciones se denominan ecuaciones diferenciales Tal vez el ejemplo mas conocido es la ley de Newton 1 m d 2 u t d t 2 F t u t d u t d t displaystyle m frac mathrm d 2 u t mathrm d t 2 F left t u t frac mathrm d u t mathrm d t right Importancia Editar Isaac Newton se daba cuenta de la importancia que tenian las ecuaciones diferenciales para el analisis de los fenomenos de la naturaleza En sus renombrados Principios matematicos de la filosofia natural 1687 que engloban mecanica newtoniana empiezan con la ecuacion diferencial del movimiento Esta ecuacion se considera como axioma mientras que los planteamientos posteriores de la mecanica son de hecho teoremas que se derivan de dicho axioma asi como de la ley de gravitacion universal que se desgaja de los hechos experimentales leyes de Kepler y del mencionado axioma 2 m d 2 s d t 2 F displaystyle m frac d 2 s dt 2 F Una ecuacion diferencial ordinaria EDO puede plantearse siendo F una relacion o funcion como 1a F x y y y y n 0 displaystyle F x y y y dots y n 0 para representar la EDO en que la funcion incognita tambien conocida como variable dependiente lo es de una unica variable independente En general una ecuacion diferencial lineal de orden n puede formularse siendo cada a i displaystyle a i una funcion dependiente de t como 1b a n t y n a n 1 t y n 1 a 1 t y a 0 t y g t displaystyle a n t y n a n 1 t y n 1 ldots a 1 t y a 0 t y g t Una solucion de la ecuacion 1a o 1b sera una familia de curvas o funciones del tipo y f t displaystyle y f t que substituida dentro de la ecuacion la convierte en una igualdad en la que todos los terminos son conocidos En la formulacion mas simple la funcion incognita es una funcion para cierto valor real o complejo pero con mayor generalidad puede serlo para el valor de un vector o matriz lo que lleva a considerar un sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias EDO para una unica funcion Definiciones EditarSea y f x displaystyle y f x tal que f R R displaystyle f mathbb R to mathbb R y n displaystyle y n la n esima derivada de y displaystyle y entonces una ecuacion diferencial ordinaria EDO de orden n tiene la siguiente forma F x y y y n 1 y n displaystyle F x y y dots y n 1 y n 2 Para funciones vectoriales y R R m displaystyle y mathbb R to mathbb R m la ecuacion 2 es llamada un sistema de ecuaciones lineales diferenciales de dimension m Cuando una ecuacion diferencial de orden n tiene la forma F x y y y y n 0 displaystyle F x y y y dots y n 0 es llamada una ecuacion diferencial implicita mientras que en la forma F x y y y y n 1 y n displaystyle F x y y y dots y n 1 y n es llamada una ecuacion diferencial explicita Una ecuacion diferencial que no depende de x es denominada autonoma Se dice que una ecuacion diferencial es lineal si F puede ser escrita como una combinacion lineal de las derivadas de y y n i 0 n 1 a i x y i r x displaystyle y n sum i 0 n 1 a i x y i r x siendo tanto a i x displaystyle a i x como r x displaystyle r x funciones continuas de x La funcion r x es llamada el termino fuente traducido del ingles source term si r x 0 la ecuacion diferencial lineal es llamada homogenea de lo contrario es llamada no homogenea Soluciones Editar Dada una ecuacion diferencial F x y y y n 0 displaystyle F x y y dots y n 0 una funcion u I R R es llamada la solucion y su grafica se llama curva integral de F 3 si u es n veces derivable en I y F x u u u n 0 x I displaystyle F x u u dots u n 0 quad x in I Dadas dos soluciones u J R R y v I R R u es llamada una extension de v si I J y u x v x x I displaystyle u x v x quad x in I Una solucion que no tiene extension es llamada una solucion general cita requerida Una solucion general de una ecuacion de orden n es una solucion que contiene n variables arbitrarias correspondientes a n constantes de integracion Una solucion particular es derivada de la solucion general mediante la fijacion de valores particulares para las constantes a menudo elegidas para cumplir condiciones iniciales Una solucion singular es la que no puede derivarse de la general Solucion de una EDO de primer ordenSi se considera una ecuacion diferencial de la forma y f x y displaystyle y f x y una ecuacion de primer orden resuelta con respecto a la derivada se llama su solucion general de la anterior ecuacion diferencial sera una funcion del tipo y f x C displaystyle y varphi x C que depende de una constante arbitraria C Satisface ecuacion diferencial para cualquier valor de la constante C Ademas cualquiera que sea la condicion inicial y x 0 y 0 displaystyle y x 0 y 0 siempre se puede asignar un valor C0 a la constante C tal que la funcion y f x C0 satisfaga la condicion inicial dada Se presume que el punto x0 y0 esta en un intervalo donde se cumplen las condiciones de existencia y de unicidad de la solucion 4 Las soluciones se pueden encontrar con auxilio de transformaciones identicas y de cambios de variables 5 Condiciones iniciales Editar Articulo principal Problema de Cauchy En general si no se especifican ciertos valores iniciales o de contorno que debe satisfacer la solucion de una ecuacion diferencial como 1 entonces no existira una solucion particular unica es decir una unica funcion que satisfaga la ecuacion diferencial Para una ecuacion diferencial lineal de orden n por ejemplo se requieren n condiciones iniciales o de contorno para que exista una unica funcion que cumpla simultaneamente la ecuacion diferencia y las condiciones de contorno Si solo se especifican condiciones iniciales el problema de encontrar una funcion que satisfaga la ecuacion diferencial y las condiciones iniciales se denomina problema de Cauchy Si se especifican condiciones que no son solo condiciones de contorno pueden tenerse problemas diferentes como los problemas de Sturm Liuville Tipos y forma de resolucion EditarExisten diversos tipos de ecuaciones diferenciales ordinarias cada una con una forma de resolucion distinta para clasificarlas hay que hacer la diferencia entre ecuaciones diferenciales de primer orden y ecuaciones de orden superior ya que las primeras son por lo general de mas facil resolucion Existencia y unicidad de soluciones Editar El teorema de Peano Picard garantiza la existencia de una solucion y su unicidad para toda ecuacion diferencial ordinaria lineal con coeficientes continuos en un intervalo Para el caso de ecuaciones diferenciales no lineales no existen resultados analogos al de Peano Picard El teorema de Peano Picard demuestra la existencia mediante una demostracion constructiva para un sistema de ecuaciones diferenciales lineales de primer orden Puesto que toda ecuacion diferencial lineal de orden arbitrario puede reducirse a un sistema de ecuaciones diferenciales de primer orden se sigue del teorema de Peano Picard la existencia y unicidad de la solucion La idea del teorema es simple construye una sucesion de Cauchy funciones cuyo limite es precisamente la solucion del sistema La demostracion de la unicidad por otra parte resulta trivial Soluciones analiticas Editar Existen metodos de resolucion generales para ecuaciones diferenciales ordinarias lineales que permiten encontrar soluciones analiticas En particular si los coeficientes de la ecuacion lineal son constantes o periodicos la solucion es casi siempre facil de construir Para coeficientes no constantes o no periodicos pero que son desarrollables en serie de Taylor o serie de Laurent es aplicable con ciertas restricciones el metodo de Frobenius Otra posibilidad es reducir una ecuacion diferencial lineal de orden n a un sistema de n ecuaciones diferenciales lineales de primer orden Para las ecuaciones diferenciales ordinarias no lineales no existen metodos generales Soluciones numericas Editar Algunos de los metodos de solucion numerica de ecuaciones diferenciales son el metodo de Runge Kutta los metodos multipaso y los metodos de extrapolacion Ecuaciones diferenciales ordinarias de primer orden EditarArticulo principal Ecuacion diferencial ordinaria de primer orden Una ecuacion diferencial de primer orden con el valor inicial se expresa de la siguiente forma L d y d t f t y y t 0 y 0 displaystyle L left begin array 20 c cfrac dy dt f t y y t 0 y 0 end array right Donde y t 0 y 0 displaystyle y t 0 y 0 es la condicion inicial Entre los tipos de EDOs de primer orden se encuentran 6 Ecuacion de variables separables Editar Son EDOs de la forma d y d t f t y displaystyle frac dy dt f t y Estas se pueden expresar en la forma g y d y h t d t displaystyle g y dy h t dt En donde se procede integrando ambos miembros de la ecuacion g y d y h t d t displaystyle int g y dy int h t dt De la anterior es posible obtener la solucion general Se supondra que las funciones g y h son continuas 5 Ecuacion exacta Editar Articulo principal Ecuacion diferencial exacta Una ecuacion de la forma M x y d x N x y d y 0 displaystyle M x y dx N x y dy 0 se dice exacta si existe una funcion F que cumpla F x x y M displaystyle frac partial F partial x x y M y F y x y N displaystyle frac partial F partial y x y N Su solucion es entonces F x y C displaystyle F x y C EDO de primer orden y homogenea Editar Articulo principal Ecuacion diferencial ordinaria de primer orden La ecuacion diferencial ordinaria de primer orden y f x y con f t x t y t f x y t 0 displaystyle y f x y qquad mbox con f tx ty tf x y forall t neq 0 Para resolver se usa la sustitucion y xv siendo v v x una funcion desconocida Sin embargo la palabra homogenea asume otro significado dentro del estudio de las EDOs fuera de este contexto Ecuacion lineal Editar Articulo principal Ecuacion diferencial lineal Una ecuacion diferencial es lineal si presenta la forma y P x y Q x displaystyle y P x y Q x Y que tienen por solucion y x e P x d x C Q x e P x d x d x displaystyle y x e int P x dx left C int Q x e int P x dx dx right Como se puede apreciar esta ecuacion es una ecuacion diferencial de Bernoulli con n 0 Ecuacion de Bernoulli Editar Articulo principal Ecuacion diferencial de Bernoulli Una ecuacion diferencial de Bernoulli que es a su vez una generalizacion de la ecuacion diferencial lineal fue formulada por Jakob Bernoulli y resuelta por su hermano Johann Bernoulli y presenta la forma y P x y Q x y n displaystyle y P x y Q x y n En la cual si se hace la sustitucion z y 1 n displaystyle z y 1 n la ecuacion se transforma en una ecuacion lineal con z como variable dependiente resolviendose de manera analoga Ecuacion de Riccati Editar Articulo principal Ecuacion de Riccati Esta ecuacion diferencial introducida por Jacopo Francesco Riccati presenta la estructura y x P x y 2 Q x y R x 0 displaystyle y x P x y 2 Q x y R x 0 Para resolverla se debe hacer la sustitucion y y p 1 z displaystyle y y p frac 1 z donde y p displaystyle y p es una solucion particular cualquiera de la ecuacion Ecuacion de Lagrange Editar Una ecuacion diferencial de Lagrange cita requerida presenta la forma y g y x f y displaystyle y g y x f y Resolviendose con la sustitucion y p displaystyle y p diferenciando y sustituyendo dy por pdx se convierte a otra considerada en x como funcion de p es lineal Resolviendo esta ultima x s p C displaystyle x s p C se halla la solucion general de la ecuacion inicial en forma parametrica x s p C displaystyle x s p C y s p C g p f p displaystyle y s p C g p f p donde p es un parametro Ademas la ecuacion de Lagrange puede tener soluciones singulares de la forma y x g c f c displaystyle y xg c f c siendo c una raiz de la ecuacion c g c displaystyle c g c 7 Ecuacion de Clairaut Editar Articulo principal Ecuacion diferencial de Clairaut Una ecuacion diferencial de Clairaut llamada asi en honor a Alexis Claude Clairaut tiene la forma y x y f y displaystyle y xy f y Como se puede apreciar esta ecuacion es una forma particular de la ecuacion diferencial de Lagrange con g y y displaystyle g y y por lo cual su resolucion es analoga a la anterior Ecuacion de Jacobi Editar Articulo principal Ecuacion de JacobiEcuaciones diferenciales ordinarias de segundo orden EditarMuchos problemas fisicos importantes tanto en mecanica como en electromagnetismo conllevan la resolucion de ecuaciones diferenciales de segundo orden Ecuacion lineal con coeficientes constantes Editar La ecuacion diferencial de segundo orden con coeficientes constantes tiene la forma a d 2 y d x 2 b d y d x c y f x displaystyle a frac d 2 y dx 2 b frac dy dx cy f x La resolucion de esta ecuacion depende de las raices del polinomio caracteristico a l 2 b l c 0 displaystyle a lambda 2 b lambda c 0 En funcion de como sean las raices de dicho polinomio se distinguen tres casos posibles y distintos Caso 1 dos raices reales y distintas l 1 l 2 displaystyle lambda 1 neq lambda 2 en este caso la solucion general tiene la forma y x C 1 e l 1 x C 2 e l 2 x e l 1 x l 1 l 2 x 0 x e l 1 u f u d u e l 2 x l 2 l 1 x 0 x e l 2 u f u d u displaystyle y x C 1 e lambda 1 x C 2 e lambda 2 x frac e lambda 1 x lambda 1 lambda 2 int x 0 x e lambda 1 u f u du frac e lambda 2 x lambda 2 lambda 1 int x 0 x e lambda 2 u f u du Caso 2 dos raices reales e iguales l 1 l 2 displaystyle lambda 1 lambda 2 en este caso la solucion general tiene la forma y x C 1 e l 1 x C 2 x e l 1 x x e l 1 x x 0 x e l 1 u f u d u e l 1 x x 0 x x e l 2 u f u d u displaystyle y x C 1 e lambda 1 x C 2 xe lambda 1 x xe lambda 1 x int x 0 x e lambda 1 u f u du e lambda 1 x int x 0 x xe lambda 2 u f u du Caso 3 dos raices complejas conjugadas l 1 p q i l 2 p q i displaystyle lambda 1 p qi lambda 2 p qi en este caso la solucion general tiene la forma y x e p x C 1 cos q x C 2 sin q x e p x sin q x q x 0 x e p u f u cos q u d u e p x cos q x q x 0 x e p u f u sin q u d u displaystyle y x e px C 1 cos qx C 2 sin qx frac e px sin qx q int x 0 x e pu f u cos qu du frac e px cos qx q int x 0 x e pu f u sin qu du El ultimo termino de esta ultima ecuacion esta relacionado con la integral de Duhamel Ecuacion diferencial de Euler Cauchy Editar Esta ecuacion tiene la forma x 2 d 2 y d x 2 a x d y d x b y g x displaystyle x 2 frac d 2 y dx 2 ax frac dy dx by g x Y puede resolverse mediante el cambio de variable x e t displaystyle x e t que transforma la ecuacion anterior en una ecuacion de coeficientes constantes resoluble por los metodos de la seccion anterior d 2 y d t 2 a 1 d y d t b y g e t y t y e t displaystyle frac d 2 bar y dt 2 a 1 frac d bar y dt b bar y g e t qquad bar y t y e t Ecuaciones de Bessel Editar Vease tambien Funcion de Bessel La ecuacion diferencial de Bessel aparece con frecuencia en la resolucion del problema de Dirichlet en coordenadas cilindricas Dicha ecuacion tiene la forma x 2 d 2 y d x 2 x d y d x x 2 n 2 y 0 displaystyle x 2 frac d 2 y dx 2 x frac dy dx x 2 n 2 y 0 Esta ecuacion es resoluble mediante las llamadas funciones de Bessel y x C 1 J n x C 2 Y n x displaystyle y x C 1 J n x C 2 Y n x Ademas de esta ecuacion existe otra ecuacion resoluble mediante funciones de Bessel La ecuacion diferencial de Bessel modificada aparece con frecuencia en la resolucion del problema de Dirichlet en coordenadas cilindricas Dicha ecuacion tiene la forma x 2 d 2 y d x 2 2 p 1 x d y d x a x 2 r b 2 y 0 displaystyle x 2 frac d 2 y dx 2 2p 1 x frac dy dx alpha x 2r beta 2 y 0 Cuya solucion viene dada por y x x p C 1 J q r a r x r C 2 Y q r a r x r q p 2 b 2 displaystyle y x x p left C 1 J q r left frac alpha r x r right C 2 Y q r left frac alpha r x r right right qquad q sqrt p 2 beta 2 Ecuacion de Legendre Editar Vease tambien Polinomios de Legendre La ecuacion diferencial de Legendre aparece con frecuencia en la resolucion del problema de Dirichlet en coordenadas esfericas La ecuacion tiene la forma 1 x 2 d 2 y d x 2 2 x d y d x n n 1 y 0 displaystyle 1 x 2 frac d 2 y dx 2 2x frac dy dx n n 1 y 0 Cuando n es un entero una de las dos soluciones independientes que conforman la solucion general de la ecuacion anterior es el polinomio de Legendre de grado n P n x 1 2 n n d n d x n x 2 1 n displaystyle P n x frac 1 2 n n frac d n dx n x 2 1 n Las solucion general puede expresarse en la forma y x C 1 U n x C 2 V n x displaystyle y x C 1 U n x C 2 V n x o bien y x C 1 P n x C 2 Q n x displaystyle y x bar C 1 P n x bar C 2 Q n x Donde U n x 1 n n 1 2 x 2 n n 2 n 1 n 3 4 x 4 V n x x n 1 n 2 3 x 3 n 1 n 3 n 2 n 4 5 x 5 displaystyle begin cases U n x 1 cfrac n n 1 2 x 2 cfrac n n 2 n 1 n 3 4 x 4 ldots V n x x cfrac n 1 n 2 3 x 3 cfrac n 1 n 3 n 2 n 4 5 x 5 ldots end cases P n x U n x U n 1 n 0 2 4 V n x V n 1 n 1 3 5 displaystyle P n x begin cases U n x U n 1 amp n 0 2 4 ldots V n x V n 1 amp n 1 3 5 ldots end cases y Q n x V n x U n 1 n 0 2 4 U n x V n 1 n 1 3 5 displaystyle Q n x begin cases V n x U n 1 amp n 0 2 4 ldots U n x V n 1 amp n 1 3 5 ldots end cases Ecuaciones diferenciales ordinarias de orden superior EditarEcuacion lineal de orden n con coeficientes constantes Editar La ecuacion diferencial lineal de orden n con coeficientes constantes es de la siguiente forma a n y n a n 1 y n 1 a 1 y a 0 y g t displaystyle a n y n a n 1 y n 1 ldots a 1 y a 0 y g t Donde los terminos a i displaystyle a i representan constantes i N displaystyle forall i in mathbb N En el caso homogeneo cuando el segundo miembro es identicamente nulo las soluciones de esta ecuacion se pueden obtener a partir de la raices del polinomio caracteristico de la ecuacion a n l n a n 1 l n 1 a 1 l a 0 0 displaystyle a n lambda n a n 1 lambda n 1 ldots a 1 lambda a 0 0 En el caso de que todas las raices sean diferentes la solucion viene dada por y x C 1 e l 1 x C n e l n x i 1 n C i e l i x displaystyle y x C 1 e lambda 1 x ldots C n e lambda n x sum i 1 n C i e lambda i x En el caso de que existan varias raices multiples existiendo solo k raices diferentes y siendo m i displaystyle m i la multiplicidad de la raiz i esima la solucion general es de la forma y x i 1 k C i 0 C i 1 x C i m i 1 x m i 1 e l i x i 1 k j 0 m i 1 C i j x j e l i x k n j 1 k m j n displaystyle y x sum i 1 k left C i 0 C i 1 x ldots C i m i 1 x m i 1 right e lambda i x sum i 1 k left sum j 0 m i 1 C i j x j right e lambda i x quad k leq n sum j 1 k m j n Las multiplicidades de cada raiz son el exponente de la siguiente descomposicion a n l l 1 m 1 l l k m k a n l n a n 1 l n 1 a 1 l a 0 0 displaystyle a n lambda lambda 1 m 1 ldots lambda lambda k m k a n lambda n a n 1 lambda n 1 ldots a 1 lambda a 0 0 Vease tambien EditarEcuacion diferencial Ecuaciones en derivadas parciales Teorema de Picard Campo de direccionesReferencias Editar Boyce y Di Prima 1991 pp 17 Zeldovich y Yaglom 1987 pp 210 y 211 Kiseliov Krasnov y Makarenko 1987 p 10 Kiseliov Krasnov y Makarenko 1987 pp 11 12 a b Filippov 2007 Aranda Iriarte 2008 Capitulo 1 ecuaciones de primer orden Kiseliov Krasnov y Makarenko 1987 Bibliografia Editar Aranda Iriarte Jose Ignacio 2009 Apuntes de ecuaciones diferenciales I Universidad Complutense de Madrid Boyce Di Prima 1991 Ecuaciones diferenciales y problemas con valores en la frontera ISBN 968 18 0107 5 OCLC 991704064 Bronson Richard 1990 Ecuaciones diferenciales modernas Impreso en Editorial Nomos Bogota Mc Graw Hill ISBN 9684513186 OCLC 634286982 Filippov A F 2007 Introduccion a la teoria de ecuaciones diferenciales Moscu URSS ISBN 978 5 484 00999 2 OCLC 630590315 Kiseliov A Krasnov M Makarenko G 1987 Problemas de ecuaciones diferenciales ordinarias Moscu Mir Teschl Gerald 2012 Ordinary Differential Equations and Dynamical Systems Graduate Studies in Mathematics en ingles 140 AMS ISBN 978 0 8218 8328 0 Zeldovich Iakov Borisovich Yaglom Isaak Moiseevich 1987 Matematicas superiores para los fisicos y tecnicos principiantes Moscu Mir Enlaces externos Editar Wikilibros alberga un libro o manual sobre Ecuaciones Diferenciales Ordinarias en ingles Soluciones exactas de Ecuaciones Diferenciales Ordinarias Metodos de resolucion de Ecuaciones Diferenciales Ordinarias Datos Q465274 Multimedia Ordinary differential equations Obtenido de https es wikipedia org w 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