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Clase Semana 2 - Parte I

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ECUACIONES DIFERENCIALES DE 2º ORDEN

Definición: Sean 𝑔1 , 𝑔2 , 𝑓: 𝐼 → ℝ continuas. Una ecuación diferencial de la forma:


𝑦 ′′ + 𝑔1 (𝑥 )𝑦 ′ + 𝑔2 (𝑥)𝑦 = 𝑓 (𝑥 ) … (𝐼)
se llama ecuación diferencial lineal de orden 2. Si 𝑓(𝑥 ) = 0, la ecuación se llama homogénea, caso
contrario es no homogénea.

Teorema: (PVI)
La ecuación (I) sujeta a las condiciones iniciales:
𝑦(𝑥0 ) = 𝑦0 , 𝑦 ′ (𝑥0 ) = 𝑦1
tiene una única solución en el intervalo I.

Si 𝑔1 (𝑥), 𝑔2 (𝑥) son constantes, la ecuación (I) es llamada ecuación diferencial lineal de 2º orden con
coeficientes constantes.

Ecuaciones Homogéneas con Coeficientes Constantes:


Definición: (Dependencia e Independencia lineal de funciones)
Las funciones 𝑦1 (𝑥 ), 𝑦2 (𝑥 ), … , 𝑦𝑛 (𝑥) son linealmente dependientes (LD) en un intervalo I si existen
constantes 𝑐1 , 𝑐2 , … , 𝑐𝑛 no todas nulas tales que:
𝑐1 𝑦1 (𝑥) + 𝑐2 𝑦2 (𝑥 ) + ⋯ + 𝑐𝑛 𝑦𝑛 (𝑥 ) = 0, ∀ 𝑥 ∈ 𝐼
Esto quiere decir que alguna de las funciones se puede expresar como combinación lineal de las
demás.
Si las funciones no son LD, se dice que son linealmente independientes (LI). En otras palabras, si
𝑐1 𝑦1 (𝑥) + 𝑐2 𝑦2 (𝑥 ) + ⋯ + 𝑐𝑛 𝑦𝑛 (𝑥 ) = 0, ∀ 𝑥 ∈ 𝐼
entonces 𝑐1 = 𝑐2 = ⋯ 𝑐𝑛 = 0.

Ejemplo: Las funciones 𝑦1 (𝑥 ) = 𝑥, 𝑦2 (𝑥 ) = 𝑥 2 son LI mientras que 𝑦1 (𝑥 ) = 𝑥, 𝑦2(𝑥) = 3𝑥 son LD


en 𝐼 = ℝ.

Teorema: Si 𝑦1 , 𝑦2 son soluciones LI de la ecuación diferencial:


𝑦 ′′ + 𝑎𝑦 ′ + 𝑏𝑦 = 0 … . (∗)
entonces, la solución general de la ecuación diferencial es:
𝑦(𝑥) = 𝑐1 𝑦1 (𝑥 ) + 𝑐2 𝑦(𝑥)
donde 𝑐1 , 𝑐2 son constantes arbitrarias.

Para hallas las soluciones de (*) haremos uso de la ecuación característica: 𝜆2 + 𝑎𝜆 + 𝑏 = 0.


El estudio de las soluciones de esta ecuación nos da la estructura de las soluciones de (*)

Teorema: Las soluciones de (*), 𝑦 ′′ + 𝑎𝑦 ′ + 𝑏𝑦 = 0, pueden ser de 3 tipos, dependiendo de las


soluciones 𝜆1 , 𝜆2 de la ecuación característica: 𝜆2 + 𝑎𝜆 + 𝑏 = 0.
1) Raíces Reales Distintas: Si 𝜆1 ≠ 𝜆2 son ambas reales, la solución general es:

𝑦 = 𝑐1 𝑒 𝜆1 𝑥 + 𝑐2 𝑒 𝜆2 𝑥
2) Raíces Reales Iguales: Si 𝜆1 = 𝜆2 son ambas reales, la solución general es:
𝑦 = 𝑐1 𝑒 𝜆1 𝑥 + 𝑐2 𝑥𝑒 𝜆1 𝑥 = (𝑐1 + 𝑐2 𝑥 )𝑒 𝜆1𝑥

3) Raíces Complejas Conjugadas: Si 𝜆1 = 𝛼 + 𝛽𝑖, 𝜆2 = 𝛼 − 𝛽𝑖, la solución general es:


𝑦 = 𝑐1 𝑒 𝛼𝑥 𝑐𝑜𝑠𝛽𝑥 + 𝑐2 𝑒 𝛼𝑥 𝑠𝑒𝑛𝛽𝑥

Ejemplo: Hallar la solución general de:


1) 𝑦 ′′ + 6𝑦′ + 12𝑦 = 0 2) 𝑦 ′′ − 4𝑦 = 0
Solución:
1) La ecuación característica viene dada por: 𝜆2 + 6𝜆 + 12 = 0
Tenemos:

−6 ± √36 − 4(12) −6 ± √−12


𝜆= = = −3 ± √−3 = −3 ± √3𝑖
2 2
Así, 𝜆1 = −3 + √3𝑖, 𝜆2 = −3 − √3𝑖, con lo cual 𝛼 = −3, 𝛽 = √3.
Por tanto, la solución general es:

𝑦 = 𝑐1 𝑒 −3𝑥 cos √3𝑥 + 𝑐2 𝑒 −3𝑥 𝑠𝑒𝑛√3𝑥


2) La ecuación característica viene dada por: 𝜆2 − 4 = 0 ⇒ 𝜆 = ±2.

La solución general es:


𝑦 = 𝑐1 𝑒 2𝑥 + 𝑐2 𝑒 −2𝑥

Ejercicio: Resolver:

𝑦 ′′ + 4𝑦 ′ + 4𝑦 = 0
{ 𝑦( 0 ) = 2
𝑦 ′ (0) = 1

Ecuaciones no Homogéneas de Coeficientes Constantes:


Teorema: Sea 𝑦 ′′ + 𝑎𝑦 ′ + 𝑏𝑦 = 𝑓(𝑥) una ecuación diferencial no homogénea de segundo orden.
Si 𝑦𝑝 es una solución particular de la ecuación diferencial y 𝑦ℎ es la solución general de la ecuación
homogénea correspondiente, entonces
𝑦 = 𝑦ℎ + 𝑦𝑝
es la solución general de la ecuación diferencial no homogénea.

1) Método de los Coeficientes Indeterminados:


Este método es efectivo solamente cuando 𝑓(𝑥) es una función de sumas y productos de
𝑥 𝑛 , 𝑒 𝑚𝑥 , cos 𝛽𝑥 y sen 𝛽𝑥. Las soluciones particulares, 𝑦𝑝 , que se consiguen con este método son, de
algún modo, generalizaciones de la función 𝑓(𝑥).

Si 𝑓 (𝑥 ) = 𝑎𝑥 𝑛 𝑒 𝛼𝑥 𝑐𝑜𝑠𝛽𝑥 o 𝑓 (𝑥 ) = 𝑎𝑥 𝑛 𝑒 𝛼𝑥 𝑠𝑒𝑛𝛽𝑥 se trabaja con

𝑦𝑝 = 𝑥 𝑛 𝑒 𝛼𝑥 (𝐴𝑛 cos 𝛽𝑥 + 𝐵𝑛 𝑠𝑒𝑛𝛽𝑥 ) + 𝑥 𝑛−1 𝑒 𝛼𝑥 (𝐴𝑛−1 cos 𝛽𝑥 + 𝐵𝑛−1 𝑠𝑒𝑛𝛽𝑥 ) + ⋯ +


+𝑥𝑒 𝛼𝑥 (𝐴1 cos 𝛽𝑥 + 𝐵1 𝑠𝑒𝑛𝛽𝑥 ) + 𝑒 𝛼𝑥 (𝐴0 cos 𝛽𝑥 + 𝐵0 𝑠𝑒𝑛𝛽𝑥 )

Casos particulares como 𝑓 (𝑥 ) = acos 𝛽𝑥, 𝑓(𝑥 ) = asen 𝛽𝑥, 𝑓 (𝑥 ) = 𝑎𝑒 𝛼𝑥 , 𝑓(𝑥) = 𝑎𝑥 𝑛 son más
sencillos y permiten obtener la solución particular a partir de lo definido anteriormente.

Por ejemplo, si 𝑓(𝑥 ) = 3𝑥 2 + cos 2𝑥, entonces


𝑦𝑝 = (𝐴𝑥 2 + 𝐵𝑥 + 𝐶 ) + (𝐷𝑐𝑜𝑠2𝑥 + 𝐸𝑠𝑒𝑛2𝑥)

Observación: Algunas veces, 𝑦𝑝 o uno de sus sumando resulta ser parte de la solución homogénea.
En estas circunstancias, se multiplica el sumando de 𝑦𝑝 por un 𝑥 𝑛 adecuado para evitar el
solapamiento.

Ejemplo: Hallar la solución general de 𝑦 ′′ − 2𝑦 ′ − 3𝑦 = 2𝑠𝑒𝑛 𝑥

Solución:
Resolviendo la ecuación homogénea, 𝑦 ′′ − 2𝑦 ′ − 3𝑦 = 0, tenemos:

𝜆2 − 2𝜆 − 3 = 0 ⇔ (𝜆 + 1)(𝜆 − 3) = 0 ⇔ 𝜆1 = −1, 𝜆2 = 3
Así,
𝑦ℎ = 𝑐1 𝑒 −𝑥 + 𝑐2 𝑒 3𝑥

Para hallar 𝑦𝑝 , observamos que 𝑓 (𝑥 ) = 2𝑠𝑒𝑛𝑥, con lo cual definimos 𝑦𝑝 = 𝐴𝑐𝑜𝑠𝑥 + 𝐵𝑠𝑒𝑛𝑥
Entonces
𝑦𝑝′ = −𝐴𝑠𝑒𝑛𝑥 + 𝐵𝑐𝑜𝑠𝑥
𝑦𝑝′′ = −𝐴𝑐𝑜𝑠𝑥 − 𝐵𝑠𝑒𝑛𝑥

Sustituyendo en la ecuación diferencial dada:


−𝐴𝑐𝑜𝑠𝑥 − 𝐵𝑠𝑒𝑛𝑥 − 2(−𝐴𝑠𝑒𝑛𝑥 + 𝐵𝑐𝑜𝑠𝑥 ) − 3(𝐴𝑐𝑜𝑠𝑥 + 𝐵𝑠𝑒𝑛𝑥 ) = 2𝑠𝑒𝑛𝑥

Agrupando términos, tenemos:

(−4𝐴 − 2𝐵) cos 𝑥 + (2𝐴 − 4𝐵)𝑠𝑒𝑛𝑥 = 2𝑠𝑒𝑛𝑥 + 0 cos 𝑥

Igualando coeficientes de términos semejantes:


−4𝐴 − 2𝐵 = 0 ⇒ 𝐵 = −2𝐴
{
2𝐴 − 4𝐵 = 2 ⇒ 2𝐴 − 4(−2𝐴) = 2
De este modo, A = 1/5, B = -2/5.
1 2
En consecuencia, 𝑦𝑝 = 5 cos 𝑥 − 5 𝑠𝑒𝑛𝑥
Por lo tanto, la solución general de la ecuación dada es: 𝑦 = 𝑦ℎ + 𝑦𝑝 , es decir,
1 2
𝑦 = 𝑐1 𝑒 −𝑥 + 𝑐2 𝑒 3𝑥 + cos 𝑥 − 𝑠𝑒𝑛𝑥
5 5

2) Método de Variación de Constantes:


1
Este método sirve para funciones 𝑓(𝑥) tales como 𝑥 , tan 𝑥 y algunas otras.

Teorema:
La solución general de la ecuación 𝑦 ′′ + 𝑎𝑦 ′ + 𝑏𝑦 = 𝑓(𝑥) se calcula siguiendo estos pasos:

i) Hallar 𝑦ℎ = 𝑐1 𝑦1 + 𝑐2 𝑦2
ii) Tomar 𝑦𝑝 = 𝑢1 (𝑥 )𝑦1 + 𝑢2 (𝑥 )𝑦2
iii) Para hallar 𝑢1 (𝑥), 𝑢2 (𝑥 ) se resuelve el siguiente sistema en 𝑢1′ y 𝑢2′ :
𝑢′ 𝑦 + 𝑢′ 𝑦 = 0
{ ′ 1′ 1 ′ 2′ 2
𝑢1 𝑦 + 𝑢2 𝑦2 = 𝑓(𝑥)
iv) Integrando los resultado obtenidos, para 𝑢1′ (𝑥) y 𝑢2′ (𝑥 ) se hallan 𝑢1 (𝑥) y 𝑢2 (𝑥).
La solución general es: 𝑦 = 𝑦ℎ + 𝑦𝑝

𝑒𝑥
Ejemplo: Resolver 𝑦 ′′ − 2𝑦 ′ + 𝑦 = 2𝑥 , 𝑥 > 0

Solución:
La ecuación característica de la ecuación homogénea es:
𝜆2 − 2𝜆 + 1 = 0 ⇔ (𝜆 − 1)2 = 0 ⇔ 𝜆 = 1 (raíz doble)
Así,
𝑦ℎ = 𝑐1 𝑒 𝑥 + 𝑐2 𝑥𝑒 𝑥
De este modo, 𝑦1 (𝑥) = 𝑒 𝑥 , 𝑦2 = 𝑥𝑒 𝑥

La solución particular será de la forma:


𝑦𝑝 = 𝑢1 (𝑥 )𝑒 𝑥 + 𝑢2 (𝑥 )𝑥𝑒 𝑥

Calculamos 𝑢1 (𝑥 ) y 𝑢2 (𝑥 ), resolviendo el sistema:

𝑢1′ 𝑒 𝑥 + 𝑢2′ 𝑥𝑒 𝑥 = 0
{ ′ 𝑥 𝑒𝑥
𝑢1 𝑒 + 𝑢2′ (𝑒 𝑥 + 𝑥𝑒 𝑥 ) =
2𝑥
Restando las dos ecuaciones:
𝑒𝑥 1
𝑢2′ 𝑒 𝑥 = ⇔ 𝑢2′ =
2𝑥 2𝑥
Reemplazando en la primera ecuación:
𝑥𝑒 𝑥 1
𝑢1′ 𝑒 𝑥 + = 0 ⇔ 𝑢1′ = −
2𝑥 2
Integrando ambas funciones, tenemos:
𝑥 1
𝑢1 = − , 𝑢2 = ln 𝑥 = ln √𝑥
2 2
Así,
𝑥
𝑦𝑝 = − 𝑒 𝑥 + (ln √𝑥)𝑥𝑒 𝑥
2
Finalmente, la solución general de la ecuación dada es:
𝑥
𝑦 = 𝑦ℎ + 𝑦𝑝 = 𝑐1 𝑒 𝑥 + 𝑐2 𝑥𝑒 𝑥 − 𝑒 𝑥 + (ln √𝑥)𝑥𝑒 𝑥
2

Operadores Diferenciales:
𝑑𝑦
En cálculo, la diferenciación suele indicarse con la D mayúscula, es decir = 𝐷𝑦. El símbolo D se
𝑑𝑥
llama operador diferencial por que transformar una función diferenciable en otra función. Por
ejemplo:
𝐷(cos(4𝑥 )) = −4𝑠𝑒𝑛4𝑥, 𝐷(5𝑥 3 − 6𝑥 2 ) = 15𝑥 2 − 12𝑥
Las derivadas de orden superior se pueden expresar en términos de D, en forma natural:
𝑑 𝑑𝑦 𝑑2 𝑦
( ) = 2 = 𝐷(𝐷𝑦) = 𝐷2 𝑦
𝑑𝑥 𝑑𝑥 𝑑𝑥
Y en general:
𝑑𝑛 𝑦
= 𝐷𝑛 𝑦
𝑑𝑥 𝑛
En donde y representa una función suficientemente diferenciable.

Las expresiones polinomiales donde interviene D, como


𝐷 + 3, 𝐷 2 + 3𝐷 − 4, 5𝑥 3 𝐷3 − 6𝑥 2 𝐷2 + 4𝑥𝐷 + 4
También son operadores diferenciales.
En general, el operador diferencial se orden n se define:
𝑃(𝐷) = 𝑎𝑛 (𝑥 )𝐷𝑛 + 𝑎𝑛−1 (𝑥)𝐷𝑛−1 + ⋯ + 𝑎1 (𝑥 )𝐷 + 𝑎0 (𝑥 )
El operador diferencial es lineal:

1) 𝐷(𝑐𝑓 (𝑥 )) = 𝑐𝐷𝑓 (𝑥 )
2) 𝐷(𝑓 (𝑥 ) ± 𝑔(𝑥 )) = 𝐷𝑓(𝑥 ) ± 𝐷𝑔(𝑥)

Ecuaciones Diferenciales:
Toda ecuación diferencial lineal se puede expresar en notación del operador diferencial.
Por ejemplo, si
𝑦 ′′ + 5𝑦 ′ + 6𝑦 = 5𝑥 − 3
Se puede escribir por:
𝐷2 𝑦 + 5𝐷𝑦 + 6𝑦 = 5𝑥 − 3
O como,
(𝐷2 + 5𝐷 + 6)𝑦 = 5𝑥 − 3
De este modo, las ecuaciones diferenciales, se pueden escribir de forma compacta:
𝑃(𝐷)𝑦 = 0, 𝑃(𝐷)𝑦 = 𝑓(𝑥)

Operador Inverso:
Los operadores tienen su inverso, esto significa que:
𝑃(𝐷)𝑦 = 𝑓(𝑥) ⇒ 𝑃 −1 (𝐷)𝑃(𝐷)𝑦 = 𝑃−1 (𝐷)𝑓(𝑥)
Entonces:
𝑦𝑝 = 𝑃 −1 (𝐷)𝑓(𝑥)

donde 𝑦𝑝 (𝑥 ) es una solución particular de 𝑃 (𝐷)𝑦 = 𝑓(𝑥 )

Esto significa que

𝐷−𝑛 𝑓 (𝑥 ) = ∬ …
⏟ ∫ 𝑓 (𝑥 )𝑑𝑥
n veces
−2
Ejemplo: Evaluar 𝐷 (2𝑥 + 3)

Solución:
𝑥3 3 2
𝐷−2 (2𝑥 + 3) = 𝐷 −1 ∫(2𝑥 + 3)𝑑𝑥 = 𝐷−1 (𝑥 2 + 3𝑥) = ∫(𝑥 2 + 3𝑥 )𝑑𝑥 = + 𝑥
3 2
Es fácil verificar que
𝑥3 3 2
𝑦𝑝 = + 𝑥
3 2
es una solución particular de la ecuación diferencial 𝐷2 𝑦 = 2𝑥 + 3.

1
El operador inverso de P(D), es decir 𝑃−1 (𝐷), también se denota por 𝑃(𝐷).

En general se tiene que:


𝑃(𝐷) = (𝑎𝑛 𝐷𝑛 + 𝑎𝑛−1 𝐷𝑛−1 + ⋯ + 𝑎1 𝐷 + 𝑎0 )𝑦 = 𝑓(𝑥)
Entonces
1 1
𝑦𝑝 = (𝑓(𝑥)) = 𝑎 𝑎 𝑎 𝑎 (𝑓(𝑥))
𝑃 (𝐷 ) 𝑎0 (1 + 𝑎1 𝐷 + 𝑎2 𝐷2 + ⋯ + 𝑎𝑛−1 𝐷𝑛−1 + 𝑎𝑛 𝐷𝑛 )
0 0 0 0
1
= (1 + 𝑐1 𝐷 + 𝑐2 𝐷2 + ⋯ + 𝐶𝑛−1 𝐷𝑛−1 + 𝐶𝑛 𝐷𝑛 )𝑓(𝑥 ), 𝑎0 ≠ 0
𝑎0

1
Donde el término (1 + 𝑐1 𝐷 + 𝑐2 𝐷 2 + ⋯ + 𝐶𝑛−1 𝐷𝑛−1 + 𝐶𝑛 𝐷𝑛 )/𝑎0 es la expansión en serie de 𝑃(𝐷).

Por otro lado, notemos que si 𝑎0 = 0, entonces,


𝑃(𝐷)𝑦 = (𝑎𝑛 𝐷𝑛 + 𝑎𝑛−1 𝐷𝑛−1 + ⋯ + 𝑎1 𝐷)𝑦
= 𝐷(𝑎𝑛 𝐷𝑛−1 + 𝑎𝑛−1 𝐷𝑛−2 + ⋯ + 𝑎1 )𝑦 = 𝑓(𝑥)
Si ambos 𝑎0 = 0 y 𝑎1 = 0, entonces se puede seguir factorizando.
Por tanto, en general:
𝑃(𝐷)𝑦 = 𝐷 𝑟 (𝑎𝑛 𝐷𝑛−1 + 𝑎𝑛−1 𝐷𝑛−2 + ⋯ + 𝑎𝑟 )𝑦 = 𝑓(𝑥)
Esto significa que,
1 1
𝑦𝑝 = (𝑓(𝑥)) = 𝑟 𝑛−1
(𝑓(𝑥)), 𝑎𝑟 ≠ 0
𝑃 (𝐷 ) 𝐷 ( 𝑎𝑛 𝐷 + 𝑎𝑛−1 𝐷𝑛−2 + ⋯ + 𝑎𝑟 )
Nota:
Muchos cálculos se simplifican notablemente por la forma que puede tener 𝑓(𝑥). Por ejemplo, si
𝑓(𝑥 ) = 𝑏𝑥 𝑘 , entonces 𝑃(𝐷)𝑦 = 𝑏𝑥 𝑘
Si 𝑘 = 0, entonces
1 𝑏
𝑦𝑝 = (𝑏 ) = , 𝑎0 ≠ 0
𝑃 (𝐷 ) 𝑎0
Ejemplo:
1) Hallar una solución particular de 𝑦 ′′ − 2𝑦 ′ − 3𝑦 = 5

Solución:
Tenemos: (𝐷2 − 2𝐷 − 3)𝑦 = 5. En este caso, 𝑎0 = −3, 𝑎1 = −2, 𝑏 = 5, 𝑘 = 0.
Luego,
1 5
𝑦𝑝 = (5) = −
𝑃 (𝐷 ) 3
2) Hallar una solución particular de 4𝑦 ′′ − 3𝑦 ′ + 9𝑦 = 5𝑥 2
Solución:
Tenemos: (4𝐷2 − 3𝐷 + 9)𝑦 = 5𝑥 2. Ahora, 𝑎0 = 9, 𝑎1 = −3, 𝑎2 = 4, 𝑏 = 5, 𝑘 = 2.
Entonces:
1 1
𝑦𝑝 = [5𝑥 2 ] = [5𝑥 2 ]
𝑃(𝐷) 1 4 2
9 (1 − 3 𝐷 + 9 𝐷 )
1
Vamos a encontrar la expansión en serie de 1 4 .
(1− 𝐷+ 𝐷2 )
3 9

1 |1-1/3D +4/9D2
-1+1/3D-4/9D2 1+1/3D-1/3D2
1/3D – 4/9D2
-1/3D+1/9D2-4/27D3
-1/3D2-4/27D3
1/3D2-1/9D3+4/27D4
No es necesario ir más allá de D3, pues 𝐷3 (𝑥 2 ) = 0.
De este modo,
5 1 1 5 2 2
𝑦𝑝 = (1 + 𝐷 − 𝐷2 ) (𝑥 2 ) = (𝑥 2 + 𝑥 − )
9 3 3 9 3 3
Ejercicio:
Hallar una solución particular de 𝑦 ′′ − 𝑦 = 𝑥 3 − 3𝑥 − 4

Aplicación: Deuda Pública


Si un gobierno posee una deuda, usualmente el pago de sus intereses es financiado con mayores cargas
tributarias. Al respecto, Domar desarrolla un modelo en donde la carga de la deuda pública es la
proporción en que el impuesto adicional afecta al ingreso nacional de una economía. El modelo
establece que la tasa de endeudamiento neto es proporcional al ingreso nacional 𝑌𝑡 .

𝐷′ = 𝛼𝑌, 0 < 𝛼 < 1 … (∗)


donde 𝐷𝑡 es el stock de deuda en el instante t.
Asimismo, asumiendo una tasa de interés constante, , el volumen de impuestos por recaudar con el
fin de cubrir el pago de intereses es
𝑇𝑡 = 𝜌𝐷𝑡
Domar define la carga de deuda como:
𝑇𝑡 𝜌𝐷𝑡
𝛿𝑡 = =
𝑌𝑡 𝑌𝑡
Determinar el comportamiento de 𝛿.

Solución:
Estableceremos un comportamiento dinámico para Y.
Supongamos que el ingreso nacional crece a una tasa relativamente constante,
𝑌 ′ = 𝛽𝑌, 0 < 𝛽 < 1 … (∗∗)
Hallaremos la trayectoria de D.
Derivamos (*) respecto al tiempo y utilizamos (**), para obtener:
𝐷 ′′ = 𝛼𝑌 ′ = 𝛼𝛽𝑌 = 𝛽(𝛼𝑌) = 𝛽𝐷′
Tenemos la ecuación diferencial de segundo orden: 𝐷′′ − 𝛽𝐷′ = 0 cuya ecuación característica es:
𝜆2 − 𝛽𝜆 = 0 ⇔ 𝜆(𝜆 − 𝛽 ) = 0
Así, la ecuación tiene dos raíces reales distintas: 𝜆1 = 0, 𝜆2 = 𝛽. Luego, la solución general es:

𝐷𝑡 = 𝑐1 + 𝑐2 𝑒 𝛽𝑡
Suponiendo 𝐷(0) = 𝐷0 , 𝑌 (0) = 𝑌0 , hallaremos una solución particular (puntual).
𝐷0 = 𝐷(0) = 𝑐1 + 𝑐2
Por otro lado,

𝐷′ = 𝑐2 𝛽𝑒 𝛽𝑡 ⇒ 𝐷′ (0) = 𝛼𝑌0
Luego,
𝛼
𝛼𝑌0 = 𝐷′ (0) = 𝑐2 𝛽 ⇒ 𝑐2 = 𝑌
𝛽 0
Reemplazando en la ecuación anterior, tenemos que:
𝛼
𝑐1 = 𝐷0 − 𝑌
𝛽 0
Como 𝑌 ′ = 𝛽𝑌, entonces

𝑌𝑡 = 𝑌0 𝑒 𝛽𝑡
𝛼 𝛽𝑡
𝐷𝑡 = (𝑒 − 1) + 𝐷0
𝛽
Podemos afirmar que D y Y son funciones explosivas, pues 0 < 𝛽 < 1.
No obstante,
𝐷𝑡 𝛼 𝐷0 𝛼
𝛿𝑡 = 𝜌 = 𝜌 [( ) + ( − ) 𝑒 −𝛽𝑡 ]
𝑌𝑡 𝛽 𝑌0 𝛽
es una trayectoria temporal convergente con un valor de estado estable igual a:
𝛼
𝛿𝑠𝑠 = lim 𝛿𝑡 = 𝜌 ( )
𝑡→∞ 𝛽
La carga de deuda será mayor a largo plaza cuanto más elevados sean la tasa de interés o el factor de
proporcionalidad de endeudamiento o cuanto más reducida sea la tasa de crecimiento del ingreso
nacional, .

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