6.3 Sistemas de ecuaciones diferenciales ordinarias

Ecuaciones diferenciales ordinarias

Un sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias lineales se puede escribir:

De manera abreviada, en forma matricial

Donde A (t) es la matriz de coeficientes del sistema y b (t) es un valor columna de términos independiente. El sistema se llama homogéneo si b (t) = 0.

Relación entre un sistema y una ecuación

Se examina brevemente el paso de un sistema de n ecuaciones de orden 1 a una ecuación de orden n, y viceversa (abreviaremos uno y otra por “sistema” y “ecuación”, respectivamente).

De ecuación a sistema

Ecuación diferencial ordinaria de orden n lineal

Se dice que son homogéneas cuando b (t) = 0. Se demuestra que siempre se puede escribir una ecuación diferencial ordinaria de orden n como n ecuaciones diferenciales ordinarias de primer orden.

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En forma matricial se define como:

Existencia y unicidad

Tenemos lo que se llama un problema de Cauchy (ecuación diferencial + condición inicial)

Teorema

Si A (t) y b (t) son continuas en un cierto intervalo de t, el problema de Cauchy tiene solución y esta es única.

6.3.1 Sistemas lineales homogéneos

Sea:

Los subíndices indican la dimensión de las matrices involucradas.

Teorema

Las soluciones del problema de Cauchy forman un espacio vectorial de dimensión n.

Sean x e y dos soluciones del sistema homogéneo.

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Entonces se verifica:

Queda demostrado que cualquier combinación lineal de soluciones

Es también solución de la misma.

Podemos disponer las soluciones en columnas, formando una matriz x (t) de n columnas. Entonces se debe verificar el siguiente gran sistema, que es de n sistemas de m ecuaciones cada uno

Para cada columna de X tenemos un sistema ; en el gran sistema un

sistema por cada solución de las n que conforman la base de soluciones. Para que formen base, las trayectorias solución de este sistema deben ser linealmente independientes. Para saber si es así tomamos el determinante de la matriz X (t) así definida, que llamaremos wronskiano

Det (X (t)) = W (t)

Se puede probar que este determinante o bien es distinto de cero para todo t o bien se anula para todo valor de t. Basta entonces con calcular W (t0) para un t0

Si resulta distinto de cero entonces es que las n soluciones son linealmente

independientes y a la matriz se la llama fundamental, y se la denota por

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En ese caso la solución general de

Viene dada por:

X (t) =

Donde es la matriz de soluciones linealmente independientes puestas por

columnas y c es un vector de constantes, tantas como ecuaciones tengan el sistema lineal.

Cuando existe una condición inicial se está buscando una solución particular, lo cual equivale a fijar las constantes. Para la solución x (t0) = x0 se ha de cumplir

x (t0) = x0 c

Como por la definición de matriz fundamental el determinante no se anula, es

posible resolver en c multiplicando por la derecha por la inversa

C = (t0) x (t0)

La solución particular buscada es:

X (t) = (t0) x (t0)

Ejercicio 1

El sistema se puede escribir

Como la matriz es diagonal las ecuaciones se pueden resolver una por una, desacoplada mente

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Se obtiene

La matriz que se muestra es la porque para t = t0 se reduce a la unidad.

Otra matriz fundamental (no principal) serıa:

6.3.2 Sistemas lineales inhomogéneos

Hay un hecho debido al carácter lineal de la aplicación y de la derivada que hace simple el análisis de estos sistemas inhomogéneos. Encontrar soluciones no es difícil pero es muy engorroso.

Teorema

La solución general del sistema inhomogéneos viene dada por:

Es decir, si (x1(t)…xn(t)) es un sistema fundamental de soluciones del sistema homogéneo

Si xgi (t) es cualquier solución del sistema inhomogéneos, considero xgi(t) - xpi(t). Veamos que cumple esto:

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De modo que esta diferencia es la solución general del problema homogéneo (el problema cuya matriz es A).

Método de variación de las constantes

El sistema inhomogéneos que queremos resolver es:

Supongamos que encontramos la solución general del sistema homogéneo asociado:

Son soluciones linealmente independientes que

puestas por columnas conforman la matriz fundamental. Ahora aplicamos el método de variación de constantes: ensáyese la solución particular que consiste

en dejar variar las constantes:

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Ejercicio 2

El sistema homogéneo asociado es:

Hallamos los valores y vectores propios del sistema homogéneo:

La solución general del sistema homogéneo es:

La ecuación de las constantes se obtiene poniendo puntos y segundos miembros:

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Integrándolas respecto al tiempo

Variando las constantes hemos obtenido una solución particular de la inhomogénea:

y la solución general de la inhomogénea es:

6.3.3 Ecuaciones de orden n

Planteamiento y notación

Se define una ecuación de orden n de esta forma:

Podemos introducir el operador D: Existe un polinomio formal cuya

aplicación sobre x (t) da el miembro izquierdo de la ecuación diferencial:

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D es un operador lineal:

p (D) evidentemente también.

Ecuaciones homogéneas

Usando la notación que hemos descrito el problema homogéneo de una edo lineal de orden n es

p (D) x = 0

Recordemos que siempre se puede transformar en un sistema, llamando

Por los teoremas de sistemas sabemos que hay n soluciones linealmente independientes. El paso a sistema supone cambiar de una x (t) a x1 (t), x2 (t). . . xn (t). Evidentemente, sólo nos interesa la primera, x = x1.

Ejercicio 1

Tenemos:

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Método de reducción de orden

La ecuación típica en ese capítulo es:

El cambio de variable esta definido por:

Ejercicio 2

Con el cambio es x = t z

Desarrollando la expresión:

Dividiendo por

Poniendo w = (aquí esta´ el motivo del nombre reducción de orden)

La pareja queda:

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Es un par de soluciones linealmente independientes, de modo que la solución general de la ecuación es:

Problemas de Valor Inicial y de Valor en la Frontera

Definición Para una ecuación diferencial lineal, un problema de valores iniciales de orden n es:

Sujeta a:

Existencia y Unicidad

Sean

y continuas en un intervalo I

sea

≠

para toda x del intervalo.

Si x = x0 es cualquier punto en el intervalo, existe una solución en dicho intervalo y (x) del problema de valores iniciales representado por las ecuaciones a las que se encuentra sujeta.

Ejercicio 3

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Teniendo las funciones

Donde

son constantes o parámetros arbitrarios las cuales son soluciones de la ecuación diferencial lineal

para

las primeras derivadas respecto a t son

al sustituir se obtiene lo siguiente:

y de igual manera para

Cuando sustituimos obtenemos lo siguiente:

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y se comprueba de forma directa que la combinación lineal de las soluciones o la familia paramétrica

También son solución de la ecuación diferencial.

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