Ecuación diferencial exacta

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Transcript Ecuación diferencial exacta

Ecuaciones diferenciales de primer orden

Ecuaciones diferenciales

1. Ecuaciones diferenciales de primer orden Objetivo El alumno identificará las ecuaciones diferenciales como modelo matemático de fenómenos físicos y resolverá ecuaciones diferenciales de primer orden

Ecuaciones diferenciales de primer orden

Ecuaciones diferenciales exactas y factor integrante

Diferencial exacta

Ecuación diferencial exacta, definición

Método de solución

Ejercicios

Factor integrante, definición

Factor integrante, cálculo

Ejercicios

Ecuaciones diferenciales de primer orden

¿Cuál es la solución de (A)?

¿Cómo la encuentro?

ydx

xdy

 0

(A)

Ecuaciones diferenciales de primer orden La solución de la ED es

xy

c

Es decir, es una solución

implícita

de la forma

f

(

x

,

y

) 

c

Ecuaciones diferenciales de primer orden El diferencial exacto (o total) de una función

f(x,y)

es

df

(

x

,

y

)   

x f

(

x

,

y

)

dx

  

y f

(

x

,

y

)

dy

Pero

f(x,y)

=

xy

=

c,

entonces

df

(

x

,

y

) 

ydx

xdy

 0 Ecuación (A)

Ecuaciones diferenciales de primer orden Entonces, si una ecuación diferencial escrita en la forma

M

(

x

,

y

)

dx

N

(

x

,

y

)

dy

 0

(B)

Es el diferencial exacto de una función

f(x,y) = c,

la solución de (B) en forma implícita es

f

(

x

,

y

) 

c

Ecuaciones diferenciales de primer orden Por ejemplo, el diferencial exacto de la función

y

2 ( 1 

x

2 ) 

sen

2

x

c

(C)

Está dado por (derivando ambos lados),

df

(

x

,

y

)  (sen

x

cos

x

xy

2 )

dx

 ( 1 

x

2 )

ydy

 0 Rescribiendo, (sen

x

cos

x

xy

2 )

dx

 ( 1 

x

2 )

ydy

 0

(D)

Ecuaciones diferenciales de primer orden Entonces, la función (C) es la solución de la ecuación diferencial expresada en (D) Entonces, si una ED escrita en la forma

M

(

x

,

y

)

dx

N

(

x

,

y

)

dy

 0 es el diferencial exacto de alguna función

f(x,y)

, su solución en forma implícita será

f(x,y) = c

Ecuaciones diferenciales de primer orden ¿Toda ED es el diferencial exacto de alguna función

f(x,y)

?

¿Cómo saber si una ED es el diferencial exacto de una función

f(x,y)

?

¿Cómo encontrar a

f(x,y)

?

Ecuaciones diferenciales de primer orden Ecuación diferencial exacta Se dice que la ecuación diferencial

M

(

x

,

y

)

dx

N

(

x

,

y

)

dy

 0 Es exacta, si la expresión del lado izquierdo es una diferencial exacta.

Es decir, que existe una función

f(x,y)

tal que

df

(

x

,

y

) 

P

(

x

,

y

)

dx

Q

(

x

,

y

)

dy

donde

P

(

x

,

y

) 

Q

(

x

,

y

)   

x

 

y f f

(

x

,

y

) (

x

,

y

)

y

 

y P

(

x

,

y

)   

x Q

(

x

,

y

)

Ecuaciones diferenciales de primer orden Teorema de Schwarz Sean

M(x,y)

y

N(x,y)

continuas y con derivadas parciales continuas en una región

R

del plano

XY

definida por

a < x < b, c < y < d

.

Entonces la ecuación:

M

(

x

,

y

)

dx

N

(

x

,

y

)

dy

 0 es exacta en R sí y sólo sí  

y M

(

x

,

y

)   

x N

(

x

,

y

)

Ecuaciones diferenciales de primer orden Método de solución 1. Aplicar el teorema de Scwarz 2. Integrar

M(x,y)

con respecto a

x

, o

N(x,y)

con respecto a

y

para obtener a

f(x,y)

3. Se deriva parcialmente a

f(x,y)

con respecto a

x

o

y

, y se iguala con M(x,y) o N(x,y) para obtener a

g’(x)

o

g’(y)

4. Se integra

g’(x)

o

g’(y)

para obtener a

g(x)

o

g(y)

5. Se escribe la solución implícita como

f(x,y) = c

Ecuaciones diferenciales de primer orden (1) Resolver: 

x

y

3 

y

2 sen

x

 3

xy

2  2

y

cos

x

dy

(2) (3)

x dy dx

2

xe x ydx

 

y

6

x

2

xdy

 0

(varios métodos)

Ecuaciones diferenciales de primer orden Encuentre la función

M(x,y)

más general que hace a la ED exacta

M

(

x

,

y

)

dx

  sin

x

cos

y

xy

e

y

dy

 0

Ecuaciones diferenciales de primer orden ¿Cuánto debe valer

k

para que la ED sea exacta?

y

3 

kxy

4  2

x

  3

xy

2  20

x

2

y

3 

dy

 0

Ecuaciones diferenciales de primer orden Demuestre que toda ED de variables separables

dy dx

g

(

x

)

h

(

y

) es exacta