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UNIDAD DOS
ECUACIONES DIFERENCIALES DE ORDEN SUPERIOR.
Presentado a:
JUAN DAVID FIGUEROA
Tutor
Entregado por:
Las ecuaciones diferenciales de orden superior pueden ser un poco complejas, pero en realidad
son herramientas poderosas para entender situaciones del mundo real. Imagina que estás en un
auto y pisas el freno: la forma en que tu velocidad disminuye con el tiempo se puede describir
mediante una ecuación diferencial de segundo orden. Esto es solo un ejemplo de muchas
situaciones que se pueden involucrar con este tipo de ecuaciones.
Entender estas ecuaciones puede ayudarnos a tomar decisiones más acertadas en la vida común y
así evitar cualquier daño o catástrofe. En resumen, las ecuaciones diferenciales de orden superior
son herramientas que nos ayudan a modelar el mundo desde una vista matemática.
OBJETIVOS
EJERCICIO 1. ED HOMOGÉNEAS
ENUNCIADO EJERCICIO: Solucionar las siguientes ecuaciones diferenciales de orden superior
homogéneas (Cada estudiante debe desarrollar el numeral seleccionado en la tabla del paso 3, se debe
presentar cada paso efectuado para el desarrollo de este).
𝑦 ′′ − 2𝑦 ′ + 4𝑦 = 0, 𝑦(0) = 3, 𝑦 ′ (0) = −2
EJERCICIO 2. ED NO HOMOGÉNEAS
De cos(𝑥):
3𝐵 − 2𝐴 = 2
−3
3 ( 𝐴) − 2𝐴 = 2
2
−9
𝐴 − 2𝐴 = 2
2
−13
𝐴=2
2
−13
𝐴=2÷
2
−4
𝐴=
13
𝑦 ′ = 𝑚𝑥 𝑚−1 Derivando
𝑦 ′′ = 𝑚(𝑚 − 1)𝑥 𝑚−2
𝑦 ′′ = (𝑚2 − 𝑚)𝑥 𝑚−2
𝑥 2 [(𝑚2 − 𝑚)𝑥 𝑚−2 ] + 𝑥[𝑚𝑥 𝑚−1 ] − 9[𝑥 𝑚 ] = 0 Sustituyendo las derivadas a la ecuación original
(𝑚2 − 𝑚)𝑥 2 𝑥 𝑚−2 + 𝑚𝑥1 𝑥 𝑚−1 − 9𝑥 𝑚 = 0
(𝑚2 − 𝑚)𝑥 𝑚+2−2 + 𝑚𝑥 𝑚−1+1 − 9𝑥 𝑚 = 0
(𝑚2 − 𝑚)𝑥 𝑚 + 𝑚𝑥 𝑚 − 9𝑥 𝑚 = 0
𝑦 = 𝐶1 𝑥 𝑚1 + 𝐶2 𝑥 𝑚2 Solución de la forma
𝑦 = 𝐶1 𝑥 3 + 𝐶2 𝑥 −3
1
Con 𝑥 −𝑎 = 𝑥 𝑎
1 𝐶2
𝑦 = 𝐶1 𝑥 3 + 𝐶2 3
→ 𝑦 = 𝐶1 𝑥 3 + 3
𝑥 𝑥
𝑥 2 [(𝑚2 − 𝑚)𝑥 𝑚−2 ] + 𝑥[𝑚𝑥 𝑚−1 ] − 9[𝑥 𝑚 ] = 0 Sustituyendo las derivadas a la ecuación original
(𝑚2 − 𝑚)𝑥 2 𝑥 𝑚−2 + 𝑚𝑥1 𝑥 𝑚−1 − 9𝑥 𝑚 = 0
(𝑚2 − 𝑚)𝑥 𝑚+2−2 + 𝑚𝑥 𝑚−1+1 − 9𝑥 𝑚 = 0
(𝑚2 − 𝑚)𝑥 𝑚 + 𝑚𝑥 𝑚 − 9𝑥 𝑚 = 0
𝑦ℎ = 𝐶1 𝑥 𝑚1 + 𝐶2 𝑥 𝑚2 Solución de la forma yh
𝑦ℎ = 𝐶1 𝑥 3 + 𝐶2 𝑥 −3
1
Con 𝑥 −𝑎 = 𝑥 𝑎
1 𝐶2
𝑦ℎ = 𝐶1 𝑥 3 + 𝐶2 3 → 𝑦ℎ = 𝐶1 𝑥 3 + 3
𝑥 𝑥
1 9 Solución particular: 𝑦𝑝
𝑦 ′′ + 𝑦 ′ − 2 𝑦 = ln(2𝑥) → 𝑓(𝑥) = ln(2𝑥)
𝑥 𝑥 Dividimos la ecuación original en 𝑥 2 quedando:
𝑦1 𝑦2 3
𝑥 −3 |
𝑊 = |𝑦′ 𝑦′ | = | 𝑥 2 Por variación de Parámetros:
1 2 3𝑥 −3𝑥 −4 Wroskiano
𝑊= 𝑥 3 (−3𝑥 −4 ) − (3𝑥 2 )𝑥 −3
𝑊= −3𝑥 3−4 − 3𝑥 2−3
𝑊= −3𝑥 −1 − 3𝑥 −1
𝑊= −6𝑥 −1
−6
𝑊=
𝑥
1 Hallamos 𝑢1
−𝑦2 𝑓(𝑥) − 3 ∙ ln(2𝑥)
𝑢1 = ∫ 𝑑𝑥 = ∫ 𝑥 𝑑𝑥
𝑊 −6
𝑥
𝑥 ln(2𝑥) 1 ln(2𝑥)
=∫ 𝑑𝑥 = ∫ 𝑑𝑥
6𝑥 3 6 𝑥2
1 Por partes
𝑢 = ln(2𝑥) 𝑑𝑣 = 2
𝑥
1 1 1 𝑥 −1 −1
𝑑𝑢 = ∙ 2 = 𝑑𝑥 𝑣 = ∫ 2 𝑑𝑥 = =
2𝑥 𝑥 𝑥 −1 𝑥
1 −1 −1 1
𝑢1 = [ln(2𝑥) ( ) − ∫ ∙ 𝑑𝑥]
6 𝑥 𝑥 𝑥
1 − ln(2𝑥)
𝑢1 = [ + ∫ 𝑥 −2 𝑑𝑥]
6 𝑥
1 − ln(2𝑥) 𝑥 −1
= [ + ]
6 𝑥 −1
1 − ln(2𝑥) 1
𝑢1 = [ − ]
6 𝑥 𝑥
−1 𝑥5 𝑥5 1
𝑢2 = [ln(2𝑥) − ∫ ∙ 𝑑𝑥]
6 5 5 𝑥
−1 1 5 1
𝑢2 = [ 𝑥 ln(2𝑥) − ∫ 𝑥 4 𝑑𝑥]
6 5 5
−1 1 5 1 𝑥5
𝑢2 = [ 𝑥 ln(2𝑥) − ]
6 5 5 5
−1 1 5 𝑥5
𝑢2 = [ 𝑥 ln(2𝑥) − ]
6 5 25
𝑦𝑝 = 𝑢1 𝑦1 + 𝑢2 𝑦2 Encontramos 𝑦𝑝
1 − ln(2𝑥) 1 3 1 1 5 𝑥5
𝑦𝑝 = [ − ] 𝑥 − [ 𝑥 ln(2𝑥) − ]
6 𝑥 𝑥 6 5 25
1
∙ 3
𝑥
1 2 1
𝑦𝑝 = − 𝑥 ln(2𝑥) − 𝑥 2
6 6
1 2 1 2
− 𝑥 ln(2𝑥) + 𝑥
30 190
1 4
𝑦𝑝 = − 𝑥 2 ln(2𝑥) − 𝑥 2
5 25
4. ¿Cuál es el método utilizado para Podemos solucionar esta ecuación diferencial por medio
encontrar la solución general 𝑦(𝑡) de una ecuación diferencial homogénea ya que esta
de la ecuación diferencial? igualada a cero
(Detalle paso a paso de este
método).
5. De acuerdo con la pregunta del Solución:
problema planteado, ¿cuáles son 𝑑 2 𝜃 49
+ 𝜃=0
los procedimientos algebraicos 𝑑𝑡 2 2
necesarios para llegar a la Raíces
solución particular 𝑦0 (𝑡0 )? 49
𝑚2 + =0
2
49
𝑚2 = −
2
−49 7√2
𝑚 = ±√ = 𝑖 𝑅𝑎𝑖𝑐𝑒𝑠 𝑖𝑚𝑎𝑔𝑖𝑛𝑎𝑟𝑖𝑎𝑠
2 2
𝑚 = ±𝛽
Raices imaginarias
𝜃(𝑡) = 𝐶1 cos(𝛽𝑡) + 𝐶2 𝑠𝑒𝑛 (𝛽𝑡)
7√2 7√2
𝜃(𝑡) = 𝐶1 cos ( 𝑡) + 𝐶2 𝑠𝑒𝑛 ( 𝑡)
2 2
Aplicamos las condiciones para hallar 𝐶1 y 𝐶2
𝜋
Con 𝜃(0) = 4
𝜋
= 𝐶1 cos(0) + 𝐶2 𝑠𝑒𝑛(0)
4
𝜋
= 𝐶1 (1) + 𝐶2 (0)
4
𝜋
= 𝐶1
4
Derivando
−7√2 7√2 7√2 7√2
𝜃 ′ (𝑡) = 𝐶1 𝑠𝑒𝑛 ( 𝑡) + 𝐶2 cos ( 𝑡)
2 2 2 2
Con 𝜃 ′ (0) = 0
−7√2 7√2
0= 𝐶1 𝑠𝑒𝑛(0) + 𝐶 cos(0)
2 2 2
7√2
0= 0+ 𝐶
2 2
0 ∙ 2 = 7√2𝐶2
0
= 𝐶2
7√2
0 = 𝐶2
Por lo tanto, la solución particular queda:
𝜋 7√2
𝜃(𝑡) = cos ( 𝑡)
4 2
• ACERO, I.; LOPEZ, M. Ecuaciones Diferenciales. Teoría y Problemas. Ed. Tébar Flores,
Madrid, (1997).
• Zill, D. G. (2009). Ecuaciones diferenciales: Con aplicaciones de modelado (9a.ed.).
México D.F.: Cengage learning.