Ecuaciones Diferencial
Ecuaciones Diferencial
Ecuaciones Diferencial
UNIDAD TRES
ECUACIONES DIFERENCIALES MÉTODO POR SERIES DE POTENCIA Y
TRANSFORMADA DE LAPLACE
Entregado por:
Grupo:36
PASO 3
EJERCICIOS INDIVIDUALES
A continuación, se definen los 3 Tipos de ejercicios para presentar en el Paso 3.
𝑦 ,, + 𝑝(𝑥)𝑦 , + 𝑞(𝑥)𝑦 = 0
y = ∑ 𝑎𝑚 𝑥 𝑚 = 𝑎0 + 𝑎1 𝑥 + 𝑎2 𝑥 2 + 𝑎3 𝑥 3 + ⋯
𝑚=0
𝑚=1
a. 𝑦 , − 𝑦 = 0
b. 𝑦 , = 2𝑥𝑦
c. 𝑦 ,, + 𝑦 = 0
y = ∑∞
n=0 Cnx
n Esta expresión se puede definir como una serie de
potencias del tipo
∞
Hallamos la primera derivada
𝑦 ′ = ∑ nCnx n−1
n=1
∞
Segunda derivada
𝑦 = ∑ n(n − 1)Cnx n−2
′
n=2
∞ ∞
Sustituimos los resultados en la función
n−2 n
∑ n(n − 1)Cnx + ∑ Cnx = 0
n=2 n=0
∞ ∞
Igualamos los índices y exponentes basándonos en
∑ f(n) = ∑ f(+k) esta formula
n=k n=0
∞ ∞
Tenemos exponentes iguales por esto juntamos las
∑ n(n + 2)(n + 1)Cn + 2𝑥 + ∑ Cnx n = 0
𝑛
dos funciones
n=0 n=0
∞ ∞
Igualamos a 0 el coeficiente general
∑[n(n + 2)(n + 1)Cn + 2𝑥 𝑛 + ∑ Cn]x n = 0
n=0 n=0
𝑦 ′′ + 𝑦 = 0 Sustituimos n=0
∞
𝑦 = ∑ 𝐶𝑛𝑥 𝑛
𝑛=0
𝐶𝑛
𝐶𝑛 + 2 = −
(𝑛 + 2)(𝑛 + 1)
𝑐0 1 Ahora sustituimos n=1
𝑛 = 0, 𝑐2 = − = − 𝐶0
(0 + 2)(0 + 1) 2
𝑐1 1 Ahora sustituimos n=2
𝑛 = 1, 𝑐3 = − =− 𝐶
(1 + 2)(1 + 1) 3.2 1
𝑐2 1 Ahora sustituimos n=3
𝑛 = 2, 𝑐4 = − =− 𝐶
(2 + 2)(2 + 1) 4.3 2
1
= (− 𝐶0 )
2
𝑐3 1 Sacamos los coeficientes resultantes
𝑛 = 3, 𝑐5 = − =− 𝐶
(3 + 2)(3 + 1) 5.4 3
1
= (− 𝐶)
3.2 1
1 1 1 Los coeficientes se agrupan en pares e impares
𝐶2 = − 𝑐0 ; 𝐶3 = − 𝑐1 ; 𝐶4 = − 𝑐0 ; 𝐶5
2 3! 4!
1
= − 𝑐1 ;
5!
𝑦 = 𝐶0 + 𝐶1 𝑥 + 𝐶2 𝑥 2 + 𝐶3 𝑥 3 + 𝐶4 𝑥 4 + 𝐶5 𝑥 5 +… Sustituimos los coeficientes en sumatoria
1 1 1 Sustituimos los coeficientes en la expresión
𝑦 = 𝐶0 + 𝐶1 𝑥 − 𝐶0 𝑥 2 − 𝐶1 𝑥 3 + 𝐶0 𝑥 4
2 3! 4!
1 Y observamos que los coeficientes están alternados
− 𝐶1 𝑥 5 … … .. los agruparemos hasta el coeficiente 9!
5!
1 1 1 1 Factorizamos 𝐶0 y 𝐶1
𝑦 = (𝐶0 − 𝐶0 𝑥 2 + 𝐶0 𝑥 4 − 𝐶0 𝑥 6 − 𝐶0 𝑥 8
2 4! 6! 8!
1 1
+ ⋯ . ) + (𝐶1 𝑥 − 𝐶1 𝑥 3 + 𝐶1 𝑥 5
3! 5!
1 1
− 𝐶1 𝑥 7 + 𝐶1 𝑥 9 … )
7! 9!
1 1 1 1 Posteriormente con la siguiente formula
𝑦 = 𝐶0 (1− 2 𝑥 2 + 4! 𝑥 4 − 6! 𝑥 6 + 8! 𝑥 8 ) + 𝐶1 (𝑥 −
1 1 1 1 representamos cada sumatoria
𝑥 3 + 5! 𝑥 5 − 7! 𝑥 7 + 9! 𝑥 9 )
3!
∞
(𝑛 − 1)𝑛 2𝑛 Con las siguientes formulas podemos representar
𝑦 = 𝐶0 ∑ 𝑥 coseno de x y seno de x de una serie de potencias
(2𝑛)!
n=0
∞
(−1)𝑛 2𝑛+1
+ 𝐶1 ∑ 𝑥
(2𝑛 + 1)!
n=0
∞
(−1)𝑛 2𝑛 Tenemos que las constantes resultantes son
cos 𝑥 ∑ 𝑥 arbitrarias
(2𝑛)!
n=0
∞
(−1)𝑛 2𝑛+1
𝑠𝑒𝑛 𝑥 ∑ 𝑥
(2𝑛 + 1)!
n=0
d. 𝑦 ,, − 9𝑦 = 0
e. 𝑦 , = 3𝑥 2
𝑑2 𝑥 dx 𝑑2 𝑞 dq
m 𝑑𝑡 2 + 𝛽 𝑑𝑡 + 𝑘𝑥 = 𝑓(𝑡) L 𝑑𝑡 2 + 𝛽 𝑑𝑡 + 𝑘𝑞 = 𝐸(𝑡)
Es una función que representa una fuerza externa 𝑓(𝑡) o un voltaje 𝐸(𝑡) en ecuaciones
diferenciales se resuelve este problema para funciones 𝑓(𝑡) continuas. Sin embargo, no es raro
encontrarse con funciones continuas a trozos por ejemplo en circuitos eléctricos son muy
comunes los voltajes dientes de sierra o escalón. Es difícil, pero no imposible resolver la ecuación
diferencial que describe el circuito en este caso pero la transformada de laplace es una valiosa
herramienta para resolver problemas de este tipo
La transformada de Laplace es muy útil en la solución de ecuaciones integrales y sistemas de
ecuaciones diferenciales así con la obtención de algunas interesantes integrales.
Suponga que la función 𝑦(𝑡) está definida para 𝑡 ≥ 0 y la integral impropia converge para 𝑠 >
𝑠0 . Entonces la transformada de Laplace 𝑦(𝑡) existe 𝑠 > 𝑠0 y está dada por:
∞
ℒ{𝑦(𝑡)} = ∫ 𝑒 −𝑠𝑡 𝑦(𝑡)𝑑𝑡
0
a. ℒ{1}
b. ℒ{𝑡}
PROPOSICIÓN ENUNCIADO O RAZÓN O EXPLICACIÓN
EXPRESIÓN MATEMÁTICA
c. ℒ{𝑒 𝑘𝑡 }
d. ℒ{1𝑠𝑒𝑛 𝑘𝑡}
𝑦 , − 3𝑦 = 𝑒 2𝑡
{ }
𝑦(0) = 1
Aplicando la Transformada de Laplace a ambos lados de la ecuación diferencial
1 2
𝑌(𝑠) = − +
𝑠 − 2 (𝑠 − 3)
1 1
ℒ −1 {𝑌(𝑠)} = −ℒ −1 ( ) + 2ℒ −1 ( )
𝑠−2 𝑠−3
𝑦(𝑡) = −𝑒 2𝑡 + 𝑒 3𝑡
3. A partir de lo anterior, resuelva las siguientes ecuaciones diferenciales:
𝑑𝑦
a. + 𝑦 = 𝑡𝑒 −𝑡 ; 𝑦(0) = 1
𝑑𝑡
𝑑𝑦
b. + 2𝑦 = 𝑡𝑒 −2𝑡 ; 𝑦(0) = 0
𝑑𝑡
𝑑𝑦
c. 4 𝑑𝑡 + 𝑦 = 𝑡𝑒 −𝑡 ; 𝑦(0) = −1
𝐿[𝑦 ′ ] = 𝑆𝐿 − 1 ∗∗
Remplazamos aplicando la propiedad de la
ecuación y despejamos
4𝑆𝐿 + 1 + 𝐿 = 𝐿[𝑡𝑒 −𝑡 ]
1 4 𝑥4 𝑥5
B. 1 + 𝑥 2 + 3! 𝑥 3 + 14 + 66 +⋯
2 4! 5!
𝑥 1 4 𝑥5 𝑥6
C. 1 + + 𝑥 3 + 4! 𝑥 4 + 14 + 66 +⋯
2 3 5! 6!
4𝑥 14 66
D. 1 + + 𝑥3 + 𝑥4
2 3 4!
𝑑𝑖 1 t
𝐿 + 𝑅𝑖 + ∫ i(τ)dτ = E(t)
𝑑𝑡 𝑐 0
𝐼(𝑠)
𝑠𝐼(𝑠) − 𝑖(0) + 200𝐼(𝑠) + 10000
𝑠
20000 20000 −𝑠
= − 𝑒
𝑠 𝑠
𝑠 2 + 200𝑠 + 10000
𝐼(𝑠) ( )
𝑠(𝑠 + 100)2
20000
= (1 − 𝑒 −𝑠 )
𝑠
5. Se factoriza el numerador del
lado izquierdo y se despeja I(s). Se
reescribe el resultado para aplicar
Transformada inversa.
20000𝑠
𝐼(𝑠) = 2
(1 − 𝑒 −𝑠 )
𝑠(𝑠 + 100)
1 𝑒 −𝑠
𝐼(𝑠) = 20000 [ − ]
(𝑠 + 100)2 (𝑠 + 100)2
6. Se aplica la transformada
inversa para hallar i(t)