Um Curso de Cálculo, Volume 4

Hamilton Luiz Guidorizzi · Capítulo 67 de 93

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Um Curso de Cálculo, Volume 4

13.7 Equação diferencial linear de 2.ª ordem e não homogênea. Método da variação das constantes

y = xα [ k cos (β In x) + k sen (β In x)].

1 2

Para finalizar a seção, observamos que se z = g (u) for solução da equação diferencial linear de 2.ª ordem, com coeficientes constantes e homogênea

 

então y = g (In x), x > 0, será solução de . (Confira.) Observe que a

equação característica de exatamente a equação indicial de .

 

13.7. EQUAÇÃO DIFERENCIAL LINEAR DE 2.ª

ORDEM E NÃO HOMOGÊNEA. MÉTODO DA

VARIAÇÃO DAS CONSTANTES

Consideremos a equação diferencial linear de 2.ª ordem, não homogênea, de coeficientes variáveis,

 

onde p (x), q (x) e r (x) são supostas definidas e contínuas num intervalo I. Deixamos a cargo do leitor provar que a solução geral de é

 

y = y + y , h p

onde y é a solução geral da homogênea associada h

 

é y uma solução particular de . p EXEMPLO 1. Determine a solução geral da equação

 

Solução

A solução geral da homogênea associada

 

é

 

Vamos tentar uma solução particular do tipo y α = mx. Temos

p

y′ α − 1 α − 2 = mαx e y ″ = mα(α − 1) x.

p p

Substituindo na equação, resulta

m α (α − 1) x − 2 − 2 − mαx = 3x. α α

Para α = 3 m = 1 temos uma identidade. Assim, y 3 = x é uma soluçãon

p

particular. A solução geral da equação dada é, então,

 

Com procedimento análogo àquele da Seção 11.5 prova-se que a fórmula estabelecida naquela seção para as soluções de uma equação diferencial linear de 2.ª ordem, não homogênea, com coeficientes constantes, continua válida quando os coeficientes forem variáveis. Vamos destacá-la a seguir.

 

Sejam f (x) e g (x), x ∈ I, soluções linearmente independentes da equação homogênea

y″ + p (x) y′ + q (x) y = 0.

Então, as soluções da equação

y″ + p (x) y′ + q (x) y = r (x)

são dadas pela fórmula

 

onde W (x) é o wronskiano de f (x) e g (x).

 

EXEMPLO 2. Determine a solução geral da equação

x2 3 y″ + xy′ − 4y = x In x, x > 0.

Solução

Para podermos utilizar a fórmula anterior, vamos trabalhar com a equação dada na forma

A homogênea associada é

 

 

que é equivalente a

x2y″ + xy′ − 4y = 0,

cuja solução geral é

 

(Veja Exemplo 3 da seção anterior.) Sejam f (x) = x 2, g(x = e r(x)

= x In x. Pela fórmula ,

 

Como

 

resulta

 

Temos, então, a solução particular