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Taller 2
Taller 2
Taller 2
TALLER 2
DE ECUACIONES DIFERENCIALES
AUTOR:
PROFESOR GUÍA:
PERÍODO ACADÉMICO:
DESARROLLO
𝒅𝒚
+ (𝒕𝒂𝒏𝒙)𝒚 = 𝒄𝒐𝒔𝟐 𝒙
𝒅𝒙
Donde 𝑷(𝒙) = 𝒕𝒂𝒏 𝒙. El factor de integración es:
𝒅𝒚
𝒔𝒆𝒄 (𝒙) [ + (𝒕𝒂𝒏𝒙)𝒚] = (𝒄𝒐𝒔𝟐 𝒙)𝒔𝒆𝒄 (𝒙)
𝒅𝒙
𝒅𝒚
𝒔𝒆𝒄 (𝒙) [ + (𝒕𝒂𝒏𝒙)𝒚] = 𝒄𝒐𝒔𝒙
𝒅𝒙
𝒚 𝒔𝒆𝒄 𝒙 = 𝒔𝒆𝒏 𝒙 + 𝑪
𝟏
𝒚 = 𝒔𝒆𝒏 𝒙 + 𝑪
𝒄𝒐𝒔 𝒙
𝒚 = 𝒔𝒆𝒏 𝒙 𝒄𝒐𝒔 𝒙 + 𝑪 𝒄𝒐𝒔 𝒙
𝑪 = −𝟏
𝒚 = 𝒄𝒐𝒔 𝒙 (𝒔𝒆𝒏 𝒙 − 𝟏)
𝒅𝒚
𝟐. = 𝒔𝒆𝒏 𝟓𝒙
𝒅𝒙
Separar variables:
𝒅𝒚
= 𝒔𝒆𝒏 𝟓𝒙 → 𝒅𝒚 = 𝒔𝒆𝒏 𝟓𝒙 𝒅𝒙
𝒅𝒙
𝟏 𝟏
∫ 𝒅𝒚 = ∫ 𝒔𝒆𝒏 𝟓𝒙 𝒅𝒙 → 𝒚 = ∫ 𝒔𝒆𝒏 𝟓𝒙 (𝟓𝒅𝒙) → 𝒚 = − 𝒄𝒐𝒔𝟓𝒙 + 𝑪
𝟓 𝟓
𝟏 𝟏
𝒚 = − 𝒄𝒐𝒔𝟓𝒙 + 𝑪 → 𝑪 = 𝒚 + 𝒄𝒐𝒔𝟓𝒙
𝟓 𝟓
𝒅𝑷
𝟑. = 𝑷 − 𝑷𝟐
𝒅𝒕
Separar variables:
𝒅𝑷
= 𝒅𝒕
𝑷 − 𝑷𝟐
𝒅𝑷 𝟏 𝟏
∫ 𝒅𝒕 = ∫ → 𝒕 + 𝑪 = ∫ ( − ) 𝒅𝑷 → 𝒕 + 𝑪 = 𝒍𝒏𝑷 − 𝒍𝒏(𝟏 − 𝑷)
𝑷 − 𝑷𝟐 𝑷 𝟏−𝑷
𝑷 𝑷 𝑷 𝑷
→ 𝒕 + 𝑪 = 𝒍𝒏 ( ) → 𝒆𝒕+𝑪 = → 𝒆𝒕 𝒆𝑪 = → 𝑪𝒆𝒕 =
𝟏−𝑷 𝟏−𝑷 𝟏−𝑷 𝟏−𝑷
→ 𝑪𝒆𝒕 (𝟏 − 𝑷) = 𝑷 → 𝑷 = 𝑪𝒆𝒕 − 𝑷𝑪𝒆𝒕 → 𝑪𝒆𝒕 = 𝑷 + 𝑷𝑪𝒆𝒕 → 𝑪𝒆𝒕 = 𝑷(𝟏 + 𝑪𝒆𝒕 )
𝑪𝒆𝒕
𝑷=
𝟏 + 𝑪𝒆𝒕
√𝟑
𝟒. √𝟏 − 𝒚𝟐 𝒅𝒙 − √𝟏 − 𝒙𝟐 𝒅𝒚 = 𝟎 , 𝒚(𝟎) =
𝟐
Separar variables:
𝒅𝒙 𝒅𝒚
=
√𝟏 − 𝒙𝟐 √𝟏 − 𝒚𝟐
𝒅𝒙 𝒅𝒚
∫ =∫
√𝟏 − 𝒙𝟐 √𝟏 − 𝒚𝟐
√𝟑
Aplicamos las condiciones iniciales, 𝒚(𝟎) = :
𝟐
√𝟑 𝝅 𝝅
𝒂𝒓𝒄 𝒔𝒆𝒏 𝟎 = 𝒂𝒓𝒄 𝒔𝒆𝒏 ( ) +𝑪→𝟎= +𝑪→𝑪= −
𝟐 𝟑 𝟑
𝟓. 𝒙𝒚′ − 𝒚 = 𝒙𝟐 𝒆𝒙
𝒙𝒅𝒖 = 𝒙𝒆𝒙 𝒅𝒙
𝒙𝒅𝒖
= 𝒆𝒙 𝒅𝒙
𝒙
∫ 𝒅𝒖 = ∫ 𝒆𝒙 𝒅𝒙
𝒖 = 𝒆𝒙 + 𝑪
𝒚 = 𝒙𝒆𝒙 + 𝑪𝒙
𝟔. (𝒚 + 𝒙)𝒚′ = 𝒙 − 𝒚
−(𝒖 − 𝟏)𝒅𝒖 𝒅𝒙
=
𝒖𝟐 + 𝟐𝒖 − 𝟏 𝒙
−(𝒖 − 𝟏)𝒅𝒖 𝒅𝒙
∫ =∫
𝒖𝟐 + 𝟐𝒖 − 𝟏 𝒙
𝒍𝒏 (𝒖𝟐 + 𝟐𝒖 − 𝟏)
− = 𝒍𝒏 𝒙 + 𝑪
𝟐
𝟏
= 𝒙𝒆𝑪
√𝒖𝟐 + 𝟐𝒖 − 𝟏
𝟏
= 𝑪𝒙
√ 𝒚𝟐 𝟐𝒚
+ 𝒙 −𝟏
𝒙𝟐
𝟏
= 𝑪𝒙
√ 𝒚𝟐 + 𝟐𝒙𝒚 − 𝒙𝟐
𝒙𝟐
𝟏
= 𝑪𝒙
√𝒚𝟐 + 𝟐𝒙𝒚 − 𝒙𝟐
√𝒙𝟐
𝟏
= 𝑪𝒙
√𝒚𝟐 + 𝟐𝒙𝒚 − 𝒙𝟐
𝒙
𝒙
= 𝑪𝒙
√𝒚𝟐 + 𝟐𝒙𝒚 − 𝒙𝟐
𝟏
𝑪=
√𝒚𝟐 + 𝟐𝒙𝒚 − 𝒙𝟐
𝒅𝒚
𝟕. 𝒙𝒚𝟐 = 𝒚𝟑 − 𝒙 𝟑 , 𝒚(𝟏) = 𝟐
𝒅𝒙
Como 𝑴(𝒙, 𝒚) = 𝒙𝒚𝟐 es más simple que 𝑴(𝒙, 𝒚) = (𝒚𝟑 − 𝒙𝟑 ), se realiza las
sustituciones siguientes 𝒚 = 𝒖𝒙; 𝒅𝒚 = 𝒖𝒅𝒙 + 𝒙𝒅𝒖 en la ecuación diferencial:
𝒙𝟑 𝒖𝟑 (𝒖𝒅𝒙 + 𝒙𝒅𝒖) = 𝒙𝟑 𝒖𝟑 𝒅𝒙 − 𝒙𝟑 𝒅𝒙
𝒙𝟑 𝒖𝟑 𝒅𝒙 + 𝒙𝟒 𝒖𝟐 𝒅𝒖 = 𝒙𝟑 𝒖𝟑 𝒅𝒙 − 𝒙𝟑 𝒅𝒙
𝒙𝟒 𝒖𝟐 𝒅𝒖 = −𝒙𝟑 𝒅𝒙
−𝒙𝟑 𝒅𝒙
𝒖𝟐 𝒅𝒖 =
𝒙𝟒
𝒙
𝒖𝟐 𝒅𝒖 = −
𝒅𝒙
𝒙
∫ 𝒖𝟐 𝒅𝒖 = − ∫
𝒅𝒙
𝒖𝟑
= −𝒍𝒏𝒙 + 𝑪
𝟑
𝒖𝟑 = −𝟑𝒍𝒏𝒙 + 𝟑𝑪
𝒚𝟑
= −𝟑𝒍𝒏𝒙 + 𝑪
𝒙𝟑
8. Una pequeña barra de metal, cuya temperatura inicial era de 20° C, se deja caer
en un gran tanque de agua hirviendo. ¿Cuánto tiempo tardará la barra en alcanzar
los 90° C si se sabe que su temperatura aumentó 2° en 1 segundo? ¿Cuánto tiempo
tardará en alcanzar los 98° C?
Cuando un objeto absorbe calor del medio que lo rodea sigue la ley del
calentamiento de Newton. En este caso debemos resolver la ecuación:
𝒅𝑻
= 𝒓(𝑻 − 𝑻𝒂 )
𝒅𝒕
Resolviendo por variables separables:
𝒅𝑻
∫ = ∫ 𝒓𝒅𝒕
𝑻 − 𝑻𝒂
𝒍𝒏|𝑻 − 𝑻𝒂 | = 𝒓𝒕 + 𝒌
𝑻 − 𝑻𝒂 = 𝒆𝒓𝒕+𝒌
𝑻 = 𝑻𝒂 + 𝑪𝒆𝒌𝒕
𝟐𝟎 = 𝟏𝟎𝟎 + 𝑪𝒆𝒌(𝟎)
𝑪 = −𝟖𝟎
𝑻 = 𝑻𝒂 − 𝟖𝟎𝒆𝒌𝒕
𝑡 = 1 𝑠, 𝑇 = 22° 𝐶
𝟐𝟐 = 𝟏𝟎𝟎 − 𝟖𝟎𝒆𝒌(𝟏)
𝟐𝟐 − 𝟏𝟎𝟎 = −𝟖𝟎𝒆𝒌
𝟐𝟐 − 𝟏𝟎𝟎
= 𝒆𝒌
−𝟖𝟎
𝒆𝒌 = 𝟎. 𝟗𝟕𝟓
𝒌 = 𝒍𝒏(𝟎. 𝟗𝟕𝟓)
𝒌 = −𝟎. 𝟎𝟐𝟓
𝑡 = ?, 𝑇 = 90° 𝐶
𝟗𝟎 = 𝟏𝟎𝟎 − 𝟖𝟎𝒆−𝟎.𝟎𝟐𝟓𝒕
𝟗𝟎 − 𝟏𝟎𝟎
= 𝒆−𝟎.𝟎𝟐𝟓𝒕
−𝟖𝟎
𝒆−𝟎.𝟎𝟐𝟓𝒕 = 𝟎. 𝟏𝟐𝟓
−𝟐. 𝟎𝟕𝟗
𝒕=
−𝟎. 𝟎𝟐𝟓
𝒕 = 𝟖𝟑. 𝟏𝟔
𝑡 = ?, 𝑇 = 98° 𝐶
𝟗𝟖 = 𝟏𝟎𝟎 − 𝟖𝟎𝒆−𝟎.𝟎𝟐𝟓𝒕
𝟗𝟖 − 𝟏𝟎𝟎
= 𝒆−𝟎.𝟎𝟐𝟓𝒕
−𝟖𝟎
𝒆−𝟎.𝟎𝟐𝟓𝒕 = 𝟎. 𝟎𝟐𝟓
−𝟑. 𝟔𝟖𝟖
𝒕=
−𝟎. 𝟎𝟐𝟓
𝒕 = 𝟏𝟒𝟕. 𝟓𝟐
𝒅𝒚
= 𝒌𝒚
𝒅𝒕
Resolviendo por variables separables:
𝒅𝒚
∫ = ∫ 𝒌𝒅𝒕
𝒚
𝒍𝒏|𝒚| = 𝒌𝒕 + 𝑪
𝒚 = 𝒆𝒌𝒕+𝑪
𝒚 = 𝒆𝒌𝒕 𝒆𝑪
𝒚 = 𝑪𝒆𝒌𝒕
𝑡 = 0, 𝑇 = 200 𝑔
𝟐𝟎𝟎 = 𝑪𝒆𝒌(𝟎)
𝑪 = 𝟐𝟎𝟎
𝑡 = 1 ℎ, 𝑇 = 75 𝑔
𝟕𝟓 = 𝟐𝟎𝟎𝒆𝒌(𝟏)
𝟕𝟓 = 𝟐𝟎𝟎𝒆𝒌
𝟕𝟓
𝒆𝒌 =
𝟐𝟎𝟎
𝒆𝒌 = 𝟎. 𝟑𝟕𝟓
𝒌 = 𝒍𝒏 𝟎. 𝟑𝟕𝟓
𝒌 = −𝟎. 𝟗𝟖
𝒚 = 𝟐𝟎𝟎𝒆−𝟎.𝟗𝟖𝒕
𝒚 = 𝟐𝟎𝟎𝒆−𝟎.𝟗𝟖(𝟐)
𝒚 = 𝟐𝟎𝟎𝒆−𝟏.𝟗𝟔
𝒚 = 𝟐𝟖. 𝟏𝟕
200𝑔 = 100%
75𝑔 = 62.5%
28.17𝑔 = 85.9%
10. Suponga que el agua sale de un depósito por un orificio circular de área 𝑨𝒌 en
su fondo. Cuando el agua sale por el orificio, la fricción y la contracción de la
corriente cerca del orificio reducen el volumen de agua que sale del depósito por
segundo 𝒄𝑨𝒌 √𝟐𝒈𝒉, donde c (0 < c < 1) es una constante empírica. Determine la
ecuación diferencial para la altura h del agua en el instante t para el depósito que
𝒑𝒊𝒆𝒔
se muestra en la figura. El radio del orificio es de 2 pulgadas, y g= 𝟑𝟐 .
𝒔𝟐
El volumen del agua en el tanque en el instante t es 𝑉 = 𝐴𝑤 ℎ
𝑑ℎ 1 𝑑𝑣 1 𝑐𝐴0
( )= (−𝑐𝐴0 )√2𝑔ℎ = − ( ) √2𝑔ℎ
𝑑𝑡 𝐴𝑤 𝑑𝑡 𝐴𝑤 𝐴𝑤
2
2 2 𝜋
𝐴𝑤 = 10 = 100, 𝐴0 = 𝜋 ( ) = , 𝑔 = 32
12 36
𝑐𝜋
𝑑ℎ 36 𝑐𝜋
( )= √64ℎ = −( )√ℎ
𝑑𝑡 100 450
CONCLUSIONES FINALES
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS