Um Curso de Cálculo, Volume 2

Hamilton Luiz Guidorizzi · Capítulo 25 de 108

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Um Curso de Cálculo, Volume 2

5 Equações Diferenciais Lineares de 1ª e 2ª Ordens, com Coeficientes Constantes

5.1 a Equação Diferencial Linear, de 1 Ordem, com

Coeficiente Constante

 

Sejam dados um número a e uma função f definida e contínua num intervalo a I . Uma equação diferencial linear, de 1 ordem, com coeficiente constante, é uma equação da forma

 

Multiplicando ambos os membros de pelo fator integrante at e (veja

Cap. 14, Seção 14.6, do Vol. 1) obtemos

 

ou

Como at f é contínua em I , e f (t) admite primitiva em I. De segue que xe at é da forma

 

 

ou

 

com k constante. Por outro lado, é fácil verificar que as funções da forma

são soluções de . Chegamos, assim, ao importante resultado:

 

As soluções de

 

são as funções da forma

 

com k constante.

 

Este resultado é um caso particular daquele que obtivemos na Seção

14.6 do Vol. 1. Observamos que no cálculo de a constante de

integração pode ser omitida (por quê?).

 

Exemplo

Considere a equação

 

a) Ache a solução geral.

b) Ache a solução x = x (t) que satisfaz a condição inicial x (0) = 1.

Esboce o gráfico.

 

Solução

a) A solução geral é (a = 1 e f (t) = t + 1)

 

Como (verifique) resulta

 

b) Precisamos determinar k para se ter x = 1 para t = 0.

 

A solução que satisfaz a condição inicial dada é

Exercícios 5.1

 

1. Ache a solução geral.

2. Numa certa cultura de bactérias, a taxa de aumento é

proporcional ao número presente. Verificando-se que o número dobra em 2 horas, quantas pode-se esperar ao final de 6 horas?

 

3. De acordo com a lei de resfriamento de Newton, a taxa de

resfriamento de uma substância, numa corrente de ar, é proporcional à diferença entre a temperatura T da substância e a do ar. Sendo a temperatura do ar 20° e resfriando a substância de 110° para 80° em 20 minutos, determine a temperatura T = T (t) no instante t, (suponha t dado em minutos).

 

4. Uma das equações básicas dos circuitos elétricos é

 

em que L (henry) é a indutância, R (ohms) é a resistência, i (ampère) é a corrente e E (volt) a força eletromotriz.

 

a) Resolva supondo L e R constantes não nulas,

E (t) = E para todo t e i = 0 para t = 0. 0