Um Curso de Cálculo, Volume 2

Hamilton Luiz Guidorizzi · Capítulo 29 de 108

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Um Curso de Cálculo, Volume 2

5.5 Equações Diferenciais Lineares, Não Homogêneas, de 2ª Ordem, com Coeficientes Constantes

Determine f sabendo, ainda, que f (0) = 0 e f ′(0) = 1.

 

6. Um móvel desloca-se sobre o eixo x com aceleração

proporcional à diferença entre a velocidade e a posição. Determine a posição x = x (t) do móvel, supondo

e x (0) = 0.

 

7. Uma partícula de massa m = 1 desloca-se sobre o eixo x sob a

ação de uma força elástica e de uma força de

amortecimento proporcional à velocidade e dada por

Determine c para que o movimento seja a)

fortemente amortecido. b) criticamente amortecido. c) oscilatório amortecido.

 

a) fortemente amortecido.

 

b) criticamente amortecido.

 

c) oscilatório amortecido.

 

5.5 Equações Diferenciais Lineares, Não

Homogêneas, de 2 a Ordem, com Coeficientes Constantes

 

Consideremos a equação linear, de 2 a ordem, com coeficientes constantes

em que f é suposta definida e contínua num intervalo I. Se f não for identicamente nula em I, diremos que é não homogênea. Diremos, ainda, que

 

 

é a equação homogênea associada a .

Mostraremos, a seguir, que, se x = x (t), t ∈ I, for uma solução p p

particular de , então a solução geral de será

 

x = x + x h p

 

em que x é a solução geral da homogênea associada a . De fato, sendo h

x = x (t), t ∈ I, solução de , para todo t ∈ I, p p

 

Supondo que x = x (t), t ∈ I, seja outra solução qualquer de , resulta que x (t) – x (t) é solução da homogênea , pois, para todo t ∈ I, p

 

Por outro lado, se x = x (t), t ∈ I, for tal que x (t) – x (t) é solução da p

homogênea, então x = x (t) será solução de (verifique). Segue que a

solução geral de é

x = x + x h p

 

em que x é a solução geral da homogênea e x uma solução particular h p de .

 

Conclusão

 

A solução geral de

 

é

 

x = x + x h p

 

em que x é uma solução particular da equação dada e x a solução geral da homogênea p h

associada.

 

Determinar a solução geral da homogênea associada já sabemos. O

problema, agora, é como determinar uma solução particular. Os exemplos que apresentaremos a seguir mostram como determinar, em alguns casos, uma solução particular através de uma “escolha criteriosa”. No final desta seção você encontrará uma tabela que o ajudará nesta “escolha criteriosa”.

 

Exemplo 1

 

Determine a solução geral de

Solução

A homogênea associada é

 

e a solução geral –2t –t x = Ae + Be (verifique). Vamos, agora,

h

procurar uma solução particular da equação dada. Tentaremos uma solução do tipo

 

x = m + nt p

 

em que m e n são coeficientes a determinar. Você acha natural tal escolha? Por quê? O que precisamos fazer, agora, é substituir esta função na equação e determinar m e n para que se tenha uma identidade.

 

( n m + nt ) = 3(m + nt)′ + 2(m + nt) = t

 

ou

 

3n + 2m + 2nt = t.

 

Devemos ter então

 

ou seja, Deste modo,

 

é uma solução particular da equação. A solução geral será

Exemplo 2

 

 

Considere a equação

 

a) Olhando para a equação, “chute” uma solução particular.

b) Ache a solução geral.

 

Solução

 

a) A função constante é uma solução particular (verifique).

 

b) A solução geral da homogênea associada é

 

x –2t –t = Ae + Be .

h

 

Segue que a solução geral da equação dada é

 

Exemplo 3

 

Considere a equação

a) Determine uma solução particular. b) Ache a solução geral.

 

Solução

a) Nada mais natural do que tentar uma solução particular do tipo

 

x 3t = me

p

 

em que m é um coeficiente a determinar. Você acha que é realmente natural esta escolha? Por quê? Devemos determinar m de modo que, para todo t,

 

( 3t n 3t 3t 3t me ) + 4 ( me )′ + 4 ( me ) = e

 

ou

 

(9 3t 3t m + 12 m + 4 m ) e = e

 

ou

 

25 3t 3t me = e .

 

Devemos ter, então, Assim,

 

é uma solução particular.

b) A solução geral da homogênea associada é

 

x –2t –2t = Ae + Bte .

h

 

Segue que a solução geral da equação dada é

Exemplo 4

 

Ache a solução geral de

 

Solução

Vamos tentar uma solução particular do tipo

 

x = m cos 2t + n sen 2t. p

 

Devemos determinar m e n de modo que, para todo t.

 

[ n m cos 2 t + n sen 2 t ] + 4[m cos 2t + n sen 2t]′ + 4[m cos 2t + n sen

2t] = sen 2t

 

ou

 

–8m sen 2t + 8n cos 2t = sen 2t.

 

Devemos ter, então, –8m = 1 e 8n = 0, ou seja,

 

é uma solução particular. Como

 

x –2t –2t = Ae + Bte .

h

é a solução geral da homogênea associada, segue que

 

é a solução geral da equação dada.

 

O quadro que apresentamos a seguir mostra como escolher a solução

particular nos casos: αt f ( t ) = P ( t ), P polinômio, f ( t ) = a e ou f (t) = a

0 0

cos αt

 

f (t) Solução particular

 

a αt αt e 1. Se α não é raiz da equação característica, x = me .

0 p

 

2. αt Se α é raiz simples, x = mte .

p

 

3. 2 αt Se α é raiz dupla, x = mt e .

p

 

P (t) 1. Se c ≠ 0, x = P (t) em que P é um polinômio de mesmo grau que p 1 1

P.

 

2. Se c = 0 e b ≠ 0, x = tP (t). p 1

 

a cos αt 1. Se b ≠ 0, x = m cos αt + n sen αt. 0 p

 

2. Se b = 0 e se cos αt não for solução da homogênea, x = m cos αt. p

3. Se b = 0 e se cos αt for solução da homogênea, x = mt cos αt + nt p

sen αt. (Ressonância.)

 

Observação: Se f (t) = a sen at, procede-se como no caso, f (t) = a cos at. 0 0

 

Exemplo 5

 

Resolva a equação

 

Solução

A solução geral da homogênea associada é

 

x –t –2t = Ae + Be .

h

 

Como –t –t e é solução da homogênea, a escolha xp = me não resolve

o problema, pois, qualquer que seja m,

 

( –t n –t –t me ) + 3 ( me )′ + 2 ( me ) = 0.

 

Como –1 raiz simples da equação característica da homogênea, a

equação admitirá uma solução particular do tipo

 

x –t = mte (veja quadro anterior).

p

 

Devemos determinar m de modo que, para todo t,

 

( –t n –t –t –t mte ) + 3 ( mte )′ + 2 ( mte ) = e

ou (após derivar e simplificar)

 

me –t –t = e

 

logo, m = 1. Segue que

 

x –t = te

p

 

é uma solução particular. A solução geral da equação dada é

 

x –t –2t –t = Ae + Be + te .

 

Exemplo 6

 

Determine a solução geral de

 

Solução

Vamos tentar uma solução particular do tipo

 

x = m cos t p

 

Esta escolha é motivada pelo fato de que, derivando-se duas vezes o cosseno, volta-se ao cosseno.

 

( n m cos t ) + 4 m cos t = cos t

 

ou

 

3 m cos t = cos t

logo, é uma solução particular. A solução

geral da equação dada é

 

Exemplo 7

 

Resolva a equação

 

Solução

A solução geral da homogênea

 

x = A cos 2t + B sen 2t. h

 

Como sen 2t é uma solução da homogênea associada, não adianta

tentar solução particular do tipo x = m sen 2t, pois, substituindo tal h

função na equação dada, o 1 o o membro se anula e o 2 não. Tenta-se,

então, neste caso, solução particular do tipo

 

Temos:

 

Substituindo e na equação dada e simplificando, vem:

4m cos 2t – 4n sen 2t = sen 2t

 

e, portanto, Assim, é uma solução

particular. A solução geral é, então,

(Suponha que o movimento de uma par tícula que se desloca sobre o eixo x é regido pela equação deste exemplo; descreva o movimento.)

 

Observação: Na determinação de uma solução particular, em geral, estão envolvidos muitos cálculos; por esse motivo é sempre bom veri car se a solução particular

encontrada é realmente solução particular. Por exemplo, é

 

realmente uma solução particular de pois,

 

Exemplo 8

 

(Princípio de superposição.) Considere a equação

em que f (t) e f (t) são funções dadas, definidas e contínuas num 1 2

mesmo intervalo I. Mostre que se x = x (t), t = I, for uma solução 1 1

particular de

 

e se x = x (t), t ∈ I, uma solução particular de 2 2

 

então x = x (t) + x (t) será uma solução particular de . p 1 2

 

Solução

Sendo x = x (t) e x = x (t) soluções particulares de e , 1 1 2 2

respectivamente, teremos, para todo t ∈ I,

 

e

 

e daí, somando membro a membro, resulta

 

Logo, x = x (t) + x (t) é uma solução particular da Equação . p 1 2

 

Exemplo 9

 

Resolva a equação

Solução

 

 

é uma solução particular de

 

Pelo Exemplo 7, é uma solução particular de

 

Pelo princípio de superposição

 

é uma solução particular da equação dada. Então, a solução geral da equação dada é

 

Exercícios 5.5

 

1. Determine a solução geral.

2. Resolva a equação em que ω ≠ 0 é um real

dado. (Ressonância.)

 

3. Determine a solução do problema

 

4. Determine uma solução particular de

em que γ, ω , b e ω são constantes não nulas dadas. 0

 

5. Resolva a equação

 

em que ω , b e ω são constantes não nulas dadas. 0

 

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