Ecuacion Diferencial autonoma de primer orden
10 de marzo de 2013
Ecuacion diferencial autonoma de primer orden
En éste artículo aprenderás de manera clara y sencilla cuando una Ecuacion Diferencial (ED) ordinaria de primer orden es autonoma, y marcaremos con precisión su forma general, para saber cuándo nos encontramos frente a una de ellas.
Este es un ejercicio resuelto extraído de:
Ejercicios 2.3 Libro Dennis G. Zill, Ed 7ma. (Problema 38).
Lea el siguiente análisis y construya una ecuación diferencial lineal de primer orden para la que todas las soluciones no constantes tienden a la asíntota horizontal $y = 4$ conforme $x rightarrow infty$ .
ANÁLISIS:
La solución de una ecuación diferencial :
$frac{text{d}y}{text{d}x}-3y=6$ …………………….(1)
Es la suma de dos soluciones:
$y=y_{c}+y_{p}$
Donde:
$y_{C}=C{{text{e}}^{3x}}$ , es la solución homogénea del (1).
$y_{p}=-2$ es una solución particular de la ecuación no homogénea: $y'-3y=6$ .
(Se puede verificar estos resultados aplicando el Método de los 4 pasos, aquí hay un ejemplo de la aplicación del método, da click aquí, o mejor aún se puede utilizar el método de separación de variables, ver más adelante un ejemplo de solución con este último método)
Ecuación diferencial autonoma y la forma estándar de una ED |
| Cuando $a_{1}{(x)}, a_{0}{(x)}$ y $g{(x)}$ son constantes en la siguiente ecuación:$a_{1}left( x right)frac{text{d}y}{text{d}x}+a_{0}left( x right)y=gleft( x right)$ (FormaestándardeunaED de 1er orden),
La ecuación diferencial es autonoma. |
Dicho de otra forma, una ecuación diferencial ordinaria en la que la variable independiente no aparece explícitamente se llama ecuación diferencial autonoma.
En la ecuación diferencial (1), al escribirla en la forma: $frac{text{d}y}{text{d}x}=3left( x+2 right)$, podemos ver que $-2$, es un punto crítico y que es inestable (un repulsor); esto es más claro, si vemos la gráfica de la ED para diferentes valores de de $C$, de su solución: $yleft( x right)=-2+C{{text{e}}^{3x}}$.
| Valores para C | Valores de y(x) |
|---|---|
| -80 | -2-80 E^(3 x) |
| -20 | -2-20 E^(3 x) |
| -5 | -2-5 E^(3 x) |
| -1 | -2-E^(3 x) |
| -0.1 | -2-0.1 E^(3 x) |
| -0.01 | -2-0.01 E^(3 x) |
| -0.001 | -2-0.001 E^(3 x) |
| -0.0001 | -2-0.0001 E^(3 x) |
| -0.00001 | -2-0.00001 E^(3 x) |
| 0 | -2 |
| 0.00001 | -2+0.00001 E^(3 x) |
| 0.0001 | -2+0.0001 E^(3 x) |
| 0.001 | -2+0.001 E^(3 x) |
| 0.01 | -2+0.01 E^(3 x) |
| 0.1 | -2+0.1 E^(3 x) |
| 1 | -2+E^(3 x) |
| 5 | -2+5 E^(3 x) |
| 20 | -2+20 E^(3 x) |
| 80 | -2+80 E^(3 x) |
Gráfica de algunas de las soluciones de la ED (autónoma): $y'-3y=6$. En esta gráfica se ve por qué el nombre de “repulsor” para el valor de $y=-2$. Las curvas por arriba del punto crítico: $y=-2$, son independientes de las curvas solución que pasan por debajo de dicho punto.
En esta gráfica se puede ver como cualquiera de las curvas solución de la ED lineal $y'-3y=6$, que estén por arriba o por debajo del punto crítico (también llamado punto de equilibrio): $y=-2$, se alejan de esta recta horizontal, conforme $xto infty $ .
FIN DEL ANÁLISIS.
Ahora, el problema a plantear es:
CONSTRUIR UNA ED LINEAL DE PRIMER ORDEN PARA QUE TODAS LAS SOLICIONES NO CONSTANTES TIENDAN A LA ASÍNTOTA $y=4$ , CONFORME $xto infty $.
Solución del problema # 38 del capítulo 2.3 Libro Dennis G. Zill, Ed 7ma.
Para resolver este problema solo necesitamos escribir la ED autonoma, de tal forma siguiente :
$frac{text{d}y}{text{d}x}=fleft( x,y right)$, forma general de una ecuación diferencial de primer orden
Donde:
$fleft( x,y right)=4-y$
O
$fleft( x,y right)=y-4$
De tal forma que:
$frac{text{d}y}{text{d}x}=4-y$
O
$frac{text{d}y}{text{d}x}=y-4$
Una vez visto esto, resolvemos la Ecuación diferencial autónoma como una ecuación diferencial lineal de primer orden, utilizando el método del factor integrante o método de los 4 pasos, referido anteriormente. El desarrollo es como sigue.
Resolviendo la Ecuacion Diferencial autonoma de primer orden:
La ED autónoma es una ED separable, por tanto su solución se reduce a agrupar las variables correspondientes en cada miembro de la ecuación e integrar:
$frac{text{d}y}{text{d}x}=4-y$
$frac{dy}{(4-y)}=text{d}x$
$mathop{int }^{}frac{text{d}y}{left( 4-y right)}=mathop{int }^{}text{d}x+C$
$ln left| 4-y right|=x+C$
$4-y={{text{e}}^{x+c}}$
$4-y=C_{1}{{text{e}}^{x}}$
Por tanto, la solución de la Ecuacion Diferencial autonoma de primer orden es:
$4-{{C}_{1}}{{text{e}}^{x}}=y$
Obteniendo diversos valores para $C$, y graficando, tenemos:
| Valores para C | Valores de y(x) |
|---|---|
| -80 | 4-80 E^-x |
| -20 | 4-20 E^-x |
| -5 | 4-5 E^-x |
| -1 | 4-E^-x |
| -0.1 | 4-0.1 E^-x |
| -0.01 | 4-0.01 E^-x |
| -0.001 | 4-0.001 E^-x |
| -0.0001 | 4-0.0001 E^-x |
| -0.00001 | 4-0.00001 E^-x |
| 0 | 4 |
| 0.00001 | 4+0.00001 E^-x |
| 0.0001 | 4+0.0001 E^-x |
| 0.001 | 4+0.001 E^-x |
| 0.01 | 4+0.01 E^-x |
| 0.1 | 4+0.1 E^-x |
| 1 | 4+E^-x |
| 5 | 4+5 E^-x |
| 20 | 4+20 E^-x |
| 80 | 4+80 E^-x |
Gráfica de algunas de las soluciones de la ED (autónoma): $y'+y=4$. En esta gráfica se ve por qué el nombre de “atractor” (OJO: para este caso el punto crítico es un atractor) para el valor de $y=4$. Las curvas por arriba del punto crítico: $y=4$, son independientes de las curvas solución que pasan por debajo de dicho punto.
En este caso las curvas solución de la ED $y'+y=4$, que estén por arriba o por debajo del punto crítico o punto de equilibrio: $y=4$, convergen hacia esta recta horizontal, conforme $xto infty$ .
Resolviendo del mismo modo la segunda ED autónoma ($frac{text{d}y}{text{d}x}=y-4$), tenemos como resultado:
$y={{C}_{1}}{{text{e}}^{x}}+4$
Aún y cuando el resultado es aparentemente el mismo el comportamiento de las curvas solución es diferente, (puesto que el signo de la pendiente del campo de isóclinas es negativo):
$fleft( x,y right)=4-y$ , el signo de $y$ es negativo.
$fleft( x,y right)=y-4$, el signo de $y$ es positivo.
Por tanto, los valores y la gráfica son:
| Valores para C | Valores de y(x) |
|---|---|
| -80 | 4-80 E^x |
| -20 | 4-20 E^x |
| -5 | 4-5 E^x |
| -1 | 4-E^x |
| -0.1 | 4-0.1 E^x |
| -0.01 | 4-0.01 E^x |
| -0.001 | 4-0.001 E^x |
| -0.0001 | 4-0.0001 E^x |
| -0.00001 | 4-0.00001 E^x |
| 0 | 4 |
| 0.00001 | 4+0.00001 E^x |
| 0.0001 | 4+0.0001 E^x |
| 0.001 | 4+0.001 E^x |
| 0.01 | 4+0.01 E^x |
| 0.1 | 4+0.1 E^x |
| 1 | 4+E^x |
| 5 | 4+5 E^x |
| 20 | 4+20 E^x |
| 80 | 4+80 E^x |
Gráfica de algunas de las soluciones de la ED (autónoma): $y'-y=-4$. Donde el valor del “repulsor” es $y=4$
En este caso, nuevamente, las curvas solución de la ED $y'-y=-4$, que estén por arriba o por debajo del punto crítico o punto de equilibrio: $latex y=4$, se alejan de esta recta horizontal, conforme $xto infty$ .
En general una ecuacion diferencial autónoma de primer orden es una ED ordinaria en la que la variable independiente no aparece. Este tipo de ecuación es de la forma:
$frac{text{d}y}{text{d}x}=fleft( y right)$
Es importante practicar los ejercicios para adquirir destreza, yo te propongo que construyas 3 ED autónomas y las grafiques para afirmar el conocimiento, además de entenderlo mejor. Para tal efecto, te dejo el código del software Mathematica, que te permitirá realizar las gráficas y visualizar los conceptos con lo que afianzaras el conocimiento con facilidad y mayor claridad. Suerte.
Clear["Global`*"]
s1=DSolve[y'[x]-y[x]==-4,y[x],x]
tp=Table[Evaluate[s1[[1,1,2]]/.C[1]->i],{i,{-80,-20,-5,-1,-0.3,-0.1,-0.03,-0.01,-0.003,-0.001,-0.0003,-0.0001,-0.00003,-0.00001,-0.000003,0,0.000003,0.00001,0.00003, 0.0001,0.0003,0.001,0.003,0.01,0.03,0.1,0.3,1,5,20,80}}];
tf2=Table[{i,Evaluate[s1[[1,1,2]]/.C[1]->i]},{i,{-80,-20,-5,-1,-0.1,-0.01,-0.001,-0.0001,-0.00001,0,0.00001, 0.0001,0.001,0.01,0.1,1,5,20,80}}];
TableForm[tf2,TableHeadings->{None,{"Valores para C","Valores de y(x)"}},TableAlignments->Left]
Plot[Tooltip[tp],{x,-10,10},PlotRange->{-2,8}, Frame->True]
NOTA Es importante que al pegar el código en MATHEMATICA corroboren que no haya espacios ni caracteres diferentes a los acá puestos, además de confirmar que la variable independiente ("x", en este caso), sea de color verde y la dependiente ("y" en este caso), sea de color azul.
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Muchas gracias por la enseñanza muy clara y con ejemplos resueltos que se agradece, te lo dice un estudiante de quintero, v region luchando por ser mejor… Francisco Quintero Hola te escribo desde Chile para agradecerte ya que tu blog nos ha guiado mucho en el ramo de control no lineal! Roberto Perez Chile El campo de las ecuaciones diferenciales es realmente amplio, muy interesante y aplicativa a otras ciencias, tales como biología ingeniería y muchas otras ciencias. Realmente es fantastica y maravillosa la rama de las ecuaciones diferenciales. Me gustaría aprender mucho más el modelaje en diferentes problemas de la vida real. Estoy muy agradecido por tomarme en cuenta en este programa que por cierto es muy importante y útil. Estimado profesor, nuevamente reitero mis cordiales agradecimientos Oscar Bobarín Flores Guatemala
En mi artículo "La técnica perfecta. Cómo aprender ecuaciones diferenciales o cualquier cosa", hablo de cómo con la conciencia adecuado del funcionamiento del cerebro y las herramientas apropiadas, puedes rápidamente entender y aplicar los conceptos que vayas aprendiendo de cualquier cosa.
SAGEMATH es un lenguaje de alto nivel utilizado para computo científico entre otras cosas que es muy fácil de aprender; aquí puedes ver unos ejemplos (click aquí) de su aplicación, una vez visto dichos ejemplos escribe tus propios códigos en esta celda, da click aquí y haz tu simulación.
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