EDOs lineares de segunda ordem
Característica por família com problemas de valor inicial, redução de ordem, coeficientes indeterminados e variação dos parâmetros.
Característica e problemas de valor inicial
Na equação , com coeficientes constantes e , experimentamos . As derivadas são e . Substituir dá
Como a exponencial nunca é zero, precisamos de . Esta é a equação característica. As suas raízes determinam duas soluções independentes; as duas condições iniciais fixam os seus coeficientes.
Com raízes reais distintas e , a base é e . Para com e , as raízes são e . Escreve . As condições dão e . Resolve: e . A solução é
Confere: e . Substituir na equação anula cada exponencial pela sua raiz.
Com raiz dupla , a base é e . O fator é necessário para ter duas soluções independentes. Para com e , a raiz é . Escreve . Então e , por isso dá . A solução é
que podes conferir por substituição direta na equação e nas duas condições.
Com raízes complexas , a base real é e . Para com e , as raízes são . Escreve . Então e , logo . A solução é
Confere: em zero dá e derivada zero; a substituição anula a equação porque cada termo da base satisfaz a homogénea.
Redução de ordem
Se resolve a homogénea e nunca se anula no intervalo, escreve . Derivar o produto e substituir baixa a ordem: os termos em cancelam-se porque é solução, e a equação restante envolve apenas e . Com , fica uma linear de primeira ordem.
Para , conhecemos . Trabalhamos num intervalo que não atravessa zero. Com , as derivadas são e . Substituindo,
Dividir por e tomar dá . As soluções são , incluindo . Integrar dá . Absorvendo o fator na segunda constante, a solução geral é
Confere: satisfaz a equação para por substituição direta.
Coeficientes indeterminados e ressonância
Se é polinómio, exponencial, seno ou cosseno, tenta uma particular da mesma família, com a família completa. Para , a homogénea dá . Experimenta . Substituir dá , logo .
Se o candidato pertence à homogénea, multiplica-o por até sair dela. Para , usa . Derivar duas vezes e substituir dá , logo e . A particular é
Confere: simplifica para . Esta coincidência chama-se ressonância.
Termo polinomial e sobreposição de particulares
Para um termo independente polinomial, começa com um polinómio completo do mesmo grau. Em , o candidato é . Substituindo,
Os coeficientes dão e . Logo , e . Usar apenas deixaria a constante , impossível de anular com a escolha .
Como a equação é linear, somamos particulares de parcelas diferentes e acrescentamos a homogénea uma única vez. Para ,
Cada parcela produz o seu próprio termo ao substituir, sem constantes novas para cada particular.
Ressonância com raiz dupla
O fator que remove a coincidência com a homogénea depende da multiplicidade. Para , a característica é . Tanto como pertencem à homogénea, por isso multiplicar apenas uma vez por ainda não chega. Tentamos .
A substituição torna a conta mais curta:
Com , temos , logo . A particular é . Em geral, para uma exponencial associada a uma raiz de multiplicidade , multiplica o candidato por . Verifica a multiplicidade na característica antes de escolher a potência.
Variação dos parâmetros
Para a equação normalizada , com base e e Wronskiano , procura e impõe
O sistema dá e . Se a equação começa com , divide primeiro por e usa . Sem esta normalização, as fórmulas dão outro resultado.
Para em , usa , e . Então e . Integrar dá e . No intervalo escolhido , por isso . A particular é
Confere: a derivada de é ; derivar outra vez e somar dá . A solução geral é . Fora deste intervalo, conserva o módulo no logaritmo.
Exercícios
Ressonância numa segunda ordem
Resolve , e .
Pista
A frequência do termo independente coincide com a da homogénea.
Mais uma pista
Experimenta e substitui.
Solução
A homogénea é . Para , temos , logo .
A condição dá . A particular tem derivada zero em zero, então . A solução é
Substituir a particular prova a EDO; os termos homogéneos não alteram o lado direito.
Confere a tua resposta:
- Incluí o fator x por ressonância.
- Obtive A=1/4.
- Apliquei as duas condições iniciais.
Erros frequentes
A particular não pode ser só A cos2x+B sin2x, pois seria anulada pelo operador. A derivada inicial da particular deve ser calculada.
Variação dos parâmetros com verificação
Resolve em e verifica a solução.
Pista
Usa e como base da homogénea.
Mais uma pista
O Wronskiano vale um. Então e .
Solução
Dividir por dois dá . Com e , o Wronskiano é . Logo e . Integramos para obter e , pois no intervalo. A solução geral é
Para a particular, . Derivar novamente e somar dá . Multiplicando por dois, recuperamos o lado direito da equação original.
Confere a tua resposta:
- Dividi por dois, incluindo o termo independente.
- Calculei o Wronskiano.
- Verifiquei a solução por substituição.
Erros frequentes
Sem normalizar primeiro, as fórmulas dão outro resultado. Fora deste intervalo, o módulo do cosseno importa.
Dois termos e uma raiz dupla
Resolve em o problema
As condições iniciais são e .
Um aluno propõe . Explica por que este candidato não pode funcionar. Escolhe as famílias completas necessárias, determina os coeficientes e verifica a solução.
Pista
A característica tem uma raiz dupla. Para o termo polinomial, conserva também a constante.
Solução
A característica é , logo . O termo já pertence à homogénea e é anulado pelo operador. Para , o lado esquerdo seria , que não produz nem permite obter apenas .
Para a exponencial, toma . Escrever dá , por isso e . Para o polinómio, usa . Substituir dá , logo e .
A solução geral é
Em zero, , por isso . A derivada em zero é , logo . A solução pedida é
Para a verificar, chama . Temos , portanto o termo produz na equação; produz . Além disso, e . Os coeficientes da equação são contínuos e o coeficiente de nunca se anula, pelo que o problema inicial tem solução única em todo o real.
Confere a tua resposta:
- Expliquei por que Axe^x é homogénea e Bx não produz apenas x.
- Obtive a particular x²e^x/2+x+2 por sobreposição.
- Apliquei y(0)=y′(0)=0 e verifiquei a EDO e as condições.