ecuaciones diferenciales

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Ecuaciones Diferenciales en L A T E X Pablo David Zamorano Primera Edici´ on ④④④ c { Pablo David Zamorano 2012 Esta obra est´a incentivada por el Ing.Larrazabal Salas Elmer Jesus, que en su labor de educador de la Universidad de Aquino Bolivia realiza la implementaci´on de L A T E Xen la en la formaci´on de los estudiantes

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  • Ecuaciones Diferenciales enLATEX

    Pablo David Zamorano

    Primera Edicion

    {{{{{

    c{ Pablo David Zamorano 2012

    Esta obra esta incentivada por el Ing.Larrazabal Salas Elmer Jesus, que en su labor de educador dela Universidad de Aquino Bolivia realiza la implementacion de LATEXen la en la formacion de losestudiantes

  • 2

  • Indice general

    1. INTRODUCCION A LAS ECUACIONES DIFERENCIALES

    1.1. Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

    1.2. Definicion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

    2. ECUACIONES DIFERENCIALES DE PRIMER ORDEN

    2.1. Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

    2.2. Ecuaciones Diferenciales de Primer Orden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

    2.3. Ecuaciones Diferencial con Variables Separadas y Separables . . . . . . . . . . . . .

    2.4. Ecuaciones con Variables Separadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

    2.5. Ecuaciones Diferenciales de Variables Separables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

    2.6. Las Ecuaciones Diferenciales Homogeneas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

    3. ECUACIONES DIFERENCIALES LINEALES DE ORDEN N

    3.1. Definicion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

    3.2. Independencia lineal de funciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

    3.3. El Wronskiano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

    3

  • Captulo 1

    INTRODUCCION A LASECUACIONESDIFERENCIALES

    1.1. Introduccion

    Las ecuaciones diferenciales poseen una parte fundamental en las matematicas en ingeniera as comoen algunas ramas de conocimiento humano, debido a que la mayora de las leyes y relaciones fsicasse expresan mediante este tipo de ecuaciones.

    En los cursos basicos, se estudian el hecho de, que dara una funcion y=f(x), mediante una reglaadecuada se hallara la derivada directa de

    dy

    dx= f(x)

    que tambien es una funcion y=f(x).

    En este curso las problematicas que nos incumbe no es dada una funcion y=f(x) hallar su derivada,el problema se puede establecer como: dada la ecuacion derivada directa

    dy

    dx= f (x)

    encontrar de alguna manera la funcion y=f(x) que satisfaga dicha ecuacion en otras palabras lo quequiere es Resolver una ecuacion diferencial

    y = f(x) f (x) = dydx

    1.2. Definicion

    Una ecuacion que establece una relacion entre las variables independiente x, la funcion deseadaf(x)= y y sus derivadas y.y, y(n), se llama Ecuacion Diferencial.

    Ecuacion diferencial se simboliza como:

  • CAPITULO 1. INTRODUCCION A LAS ECUACIONES DIFERENCIALES

    F (x, y, y, y, ...., yn) = 0

    o

    F (x, y,dy

    dx,d2y

    dx2, ....,

    dny

    dxn) = 0

    Si la funcion buscada y=f(x) esta en funcion solo de las variables x la ecuacion diferencial dominaordinario

    ejemplo:

    i =dy

    dx+ x3 = 1

    ii = xy + y +1

    3x = 27

    iii = xy3 +dy

    dx+ 23 = 0

    Definicion: El orden de la derivada superior en la en la ecuacion se llama orden de la ecuaciondiferencial

    Definicion: el exponente de la derivada de orden superior en la ecuacionon se llama grado de laecuacion diferencial

    Ejemplo:

    i =dy

    dx+dy

    dx+ ex + 2xy = 0

    ecuacion diferencial de orden 2 y grado 1

    ii = (d3y

    dx3)2 + lnx+ (

    dy

    dx)4 + 7 = xy3

    ecuacion de orden 3 y grado 2

    iii = ex(d4y

    dx4)5 + sinx(

    d3y

    dx3)3 + (

    d4y

    dx4)(d2y

    dx2)7 = 0

    ecuacion diferencial de orden 4 y grado 5

    2 Solucion de una Ecuacion Diferencial

    Si y=f(x) es una funcion y F(x) es la derivada de esta funcion es decir:

    dy

    dxf (x) = f(x)

    de aqudy

    dx= f(x)()

    Sabemos que la ecuacion () es una ecuacion diferencial la solucion para hallar la ecuacion diferencialconsiste en hallar una funcion G(x)=F(x)+C, donde C es una constante es decir:

    d(G(x)) = d(F (x) + c)

    d(G(x)) = F (x)dx

  • 1.2. DEFINICION

    (d(G(x))) =

    (f(x))dx

    y = G(x) = f(x) + c()

    A () se le conoce como solucion general o solucion completa de la ecuacion diferencial.

    La solucion completa o general esta constituida de curvas que generalmente son conocidas comofamilia de un parametro.

    De una ecuacion de las soluciones generales se pueden obtener soluciones parciales mediante unarestriccion de variables o de parametros.

    Ejemplo 1: Dadas las ecuaciones y1 = ex y2 = (cosh(x)) verificar si dichas ecuaciones satisfacen laecuacion diferencial y y = 0sol:

    y1 = ex y1 = ex

    y2 = sinh(x) y2 = cosh(x)y1 y = ex ex = 0

    y2 y2 = cosh(x) cosh(x) = 0satisface la ecuacion

    Ej 2:

    y = = ex2

    x0

    et2dt = ex

    2

    es la solucion de la ecuacion diferencial

    y = 2xy = 1 = y 2xy = 1

    sol:

    (x) = 2xex2

    x0

    et2dt+ 1 + 2xex

    2

    y 2xy = 2xex2 x

    0

    et2dt+ 1 + 2xex

    2 2(ex2 x

    0

    et2dt+ ex

    2) = 1

    Ejemplo 3: dada la funcion F (x) =

    0ex cosh d, x > 0, verificar la funcion que satisface la

    ecuacion diferencial xF (x) + F (x) xF (x) = 0sol: de

    F (x), F (x) =d

    dx(F (x)) =

    d

    dx(

    0

    ex cosh d)

    F (x) =

    0

    d

    dx(ex cosh d)

    F (x) =

    0

    ex cosh cosh d)

    F (x) =d

    dx(

    0

    ex cosh cosh d

    F (x) =

    0

    d

    dx(e cosh cosh )d

    F (x) =

    0

    ex cosh cosh2 d

  • CAPITULO 1. INTRODUCCION A LAS ECUACIONES DIFERENCIALES

    De modo que:

    xF (x)F (x)xf(x) = x(

    0

    ex cosh cosh2 )

    0

    ex cosh cosh dx(

    0

    ex cosh )d

    xF (x) F (x) xf(x) = x[

    0

    (ex cosh cosh2 ex cosh )d]

    0

    ex cosh d

    xF (x) F (x) xf(x) = x[

    0

    ex cosh (cosh2 1)d]

    0

    ex cosh cosh d

    xF (x) F (x) xf(x) = x

    0

    ex cosh senh2 d

    0

    ex cosh cosh d

    operaciones auxiliares: integrando por partes

    u = senh = du = cosh ddv =

    0

    ex cosh senh d = v = excoshx

    0

    excoshsenh2d = senhexcosh

    x/0 +

    1

    x

    0

    excoshcoshd 0

    excoshsenh2d = (0 0) + 1x

    0

    excoshcoshd

    En resumen:

    xF (x) F (x) xf(x) = x( 1x

    )

    0

    excoshcoshd

    0

    excoshcosh = 0

    3 Origen de las ecuaciones diferenciales

    Las ecuaciones diferenciales no solo se originan por una familia de curvas sino tambien por el intentode resolver problemas fsicos en las ciencias as como en otras ramas del conocimiento humano.

    3.1 ecuaciones diferenciales de una familia

    de curvas

    Si se tiene una familia de curvas se puede obtener una ecuacion diferencial de las mismas a traves dede la alineacion de sus constantes (o parametros) estos se logra aislando la constante en un miembrode la ecuacion de la ecuacion y derivando. Tambien se puede eliminar la constante derivando de laecuacion tantas veces como constantes arbitrarias tenga y formar un sistema de ecuaciones con laecuacion original.

    ejemplo: encontrar la ecuacion diferencial cuya solucion general es:

    y = Asenx+Bcosx

    y = AcosxBsenxy = AsenxBcosx

    de aqu formamos el sistema de ecuaciones:

  • 1.2. DEFINICION

    {y = Asenx+Bcosx{y = AsenxBcosx = Y + y = 0

    ejemplo 2: Encontrar la ecuacion diferencial de una familia de parabolas que tienen sus vertices enel origen y sus focos sobre el eje y

    sol: f(x) = y = x2

    La familia de curvas de una parabola esta dada por:

    4py = x2

    Donde p es un parametro esta familia de parabolas tiene sus vertices en el punto(0,0) y sus focosen p.

    4py = x2 4p = x2

    y

    Derivando implcitamente 0 = 2xyx2y

    y2

    Resultando x2y = 2xyxy = 2y

    3.2 Ecuaciones diferenciales de problemas

    fsicos

    Estas provienen de diferentes fuentes del conocimiento humano, como, la mecanica, la electro-fsica,la fsica entre otras.

    Ejemplo. En fsica un cuerpo en cada libre tiene una aceleracion que se conoce como gravedad

    v =dy

    dt

    a =dv

    dt=

    d

    dt(dy

    dt) =

    d2y

    dt2= g

    Pero

    Fy = g w = 0 = w = g

  • CAPITULO 1. INTRODUCCION A LAS ECUACIONES DIFERENCIALES

  • Captulo 2

    ECUACIONESDIFERENCIALES DE PRIMERORDEN

    2.1. Introduccion

    A traves del tiempo los matematicos han tratado siempre de resolver diferentes tipos de ecuaciones especiales, pruebade ello es que existen diferentes metodos, sin embargo la aplicacion de un metodo en particular a las ecuacionesdiferenciales del primer orden no necesariamente se aplica a otra.

    2.2. Ecuaciones Diferenciales de Primer Orden

    Las ecuaciones diferenciales de primer orden tiene la siguiente forma:

    F (x, y, y) = 0

    Si esta ecuacion se resuelve respecto de y, que se puede escribir como:

    y = f(x, y)

    En este caso se dice que la ecuacion diferencial esta resuelta respecto la derivada

    2.3. Ecuaciones Diferencial con Variables Separa-

    das y Separables

    Estudiemos una ecuacion de la forma:

    dy

    dx= f1(x)f2(y) ()// 1

    f2(y)6= 0

  • CAPITULO 2. ECUACIONES DIFERENCIALES DE PRIMER ORDEN

    donde el segundo miembro representa la multiplicacion de las funciones

    f1, quedependesolodex

    yf2quedependesolodeysisuponemosque f2(y) 6= 0

    1

    f2(y)

    dy

    dx=f1(x)f2(y)

    f2(y)

    1

    f2(y)

    dy

    dx= f1(x)

    1

    f2(y)dy = f1(x)dx

    Si de la misma forma suponemos que y en x es conocida, tendremos la igualdad de 2 diferenciales. Si integramos laultima relacion tendramos:

    1

    f2(y)dy =

    f1(x)dx+ c

    Lo que se obtiene es una correlacion entre la variable independiente x, la funcion y y la constante c Entre otraspalabras hemos obtenido la integral general de la ecuacion

    2.4. Ecuaciones con Variables Separadas

    La ecuacion 1f2(y)

    dy = f1dx de alguna manera puede ser escrita como:

    M(x)dx+N(y)dy = 0 ()se llama ecuacion diferencial de VARIABLES SEPARADAS siendo la integral de la forma:

    M(x)dx+

    N(y)dy = c

    Ejemplo 1: sea la ecuacion

    xdx+ ydy = 0

    resolver la misma xdx =

    ydy

    x2

    2+ k1 = y

    2

    2+ k2

    k1, k2 son las cttes de integracionx2

    2+y2

    2= k2 k1

    x2

    2+y2

    2= c1

  • 2.4. ECUACIONES CON VARIABLES SEPARADAS

    x2 + y2 = 2c1

    x2 + y2 = c2

    Ejemplo 2: resolver

    (y2 + xy2)dy

    dx+ x2 x2y = 0

    sol:

    y2(1 + x)dy

    dx+ x2(1 y) = 0// 1

    (1 + x)(1 y)y2(1 + x)

    (1 + x)(1 y)dy

    dx+

    x2(1 y)(1 + x)(1 y) = 0

    y2

    (1 y)dy

    dx+

    x2

    (1 + x)= 0

    y2

    1 y dy =

    x2

    1 + xdx

    O.A.

    x2

    1+x

    u = 1 + x du = dx

    dv =x2dx v = x3

    3

    = (1+x)x33

    13

    x3dx=

    (1+x)x3

    3 1

    12x4 + k2

    reemplazamos en la ecuacion:

    (1 y)y33

    +y4

    12+ k1 =

    (1 + x)x3

    3+x4

    12+ k2

    x+ y = c

    ej. 3: resolver

    (x

    1 + y2)x + y(

    1 + x2)y = 0

    (x

    1 + y2)dx+ y(

    1 + x2)dy = 0//1

    (

    1 + y2)(

    1 + x2)

    x1 + x2

    dx+y

    1 + y2dy = 0

    x

    1 + x2dx =

    y

    1 + y2dy

    2

    2

    x

    1 + x2dx = 2

    2

    y

    1 + y2dy

    C.V. z = 1 + x2 dz = 2xdxk = 1 + y2 dk = 2ydyde donde:

    1

    2

    dzz

    = 12

    dkk

  • CAPITULO 2. ECUACIONES DIFERENCIALES DE PRIMER ORDEN

    1

    2

    z

    12 dz = 1

    2

    k

    12 dk

    1

    2

    z12

    12

    = 12

    k12

    12

    z =

    k

    1 + x2 +

    1 + y2 = c

    2.5. Ecuaciones Diferenciales de Variables Sepa-

    rables

    La ecuacion de la forma:M1(x)N1(y)dx+M2(x)N2(y)dy = 0

    Se conoce como ecuacion diferencial de variables separablesEsta ecuacion puede ser reducida (en un dominio donde tanto N1(y)yM2(x) no se anulen) a una ecuacion devariables separados mediante la multiplicacion de las funciones N1(y)yM2(x) es decir:

    M1(x)N1(y)dx+M2(x)N2(y)dy = 0//1

    N1(y)M2(x)

    de donde tendra que:

    M1(x)N1(y)dx

    N1(y)M2(x)+M2(x)N2(y)dy

    N1(y)M2(x)= 0

    en resumen:

    M1(x)

    M2(x)dx+

    N2(y)

    N1(y)dy = 0

    Esta ecuacion tiene la forma de la ecuacion ()ej,1 : resolverlaecuaciondiferencial

    (1 + x)ydx+ (1 y)xdy = 0// 1yx

    sol: de la ecuacion anterior multiplicando por los inversos correspondientes se tiene:(1 + x)

    xdx+

    (1 y)y

    dy = 0

    Integrando: 1 + x

    xdx+

    1 yy

    dy = c

    1 + x

    xdx+ k1 +

    1 yy

    dy + k2 = (k1 + k2) = c

    m1

    xdx+

    dx+

    1

    ydy

    dy = c

  • 2.5. ECUACIONES DIFERENCIALES DE VARIABLES SEPARABLES

    ln|x|+ x+ ln|y| y = cln|x|+ ln|y|+ x y = cln(|x||y|) + x y = cln|xy|+ x y = c

    Otra manera de ver las ecuaciones diferenciales reducibles a variables separables es la siguiente: Si consideramos laexpresion

    dy

    dx= f(ax+ by + c)

    Donde a,b,c REsta ecuacion diferencial puede ser transformada a otra ecuacion diferencial mediante la siguiente sustitucion:z = ax+ by + c de donde:

    dy

    dx=

    1

    b(dz

    dx a) ()

    La anterior ecuacion se justifica de la siguiente manera:

    z = ax+ bx+ c

    m

    z ax c = by// ddx

    dz

    dx a 0 = b dy

    dx

    dz

    dx a = b dy

    dx

    dy

    dx=

    1

    b(dz

    dx a)

    Reemplazando ()enlaecuacionoriginalseobtieneotraecuaciondiferencial, esdecir :

    f(z) =1

    b(dz

    dx a)

    De aqu resulta:dz

    dx= a+ bf(z)

    Y separando las variables, se tiene:dz

    a+ bf(z)= dx

    Ej. 1: resolver la siguiente ecuacion diferencial:

    (x+ y)2y = a2

    sol.z = x+ y

    sabemos

    dy

    dx=

    1

    b(dz

    dx a)

  • CAPITULO 2. ECUACIONES DIFERENCIALES DE PRIMER ORDEN

    dy

    dx= (

    dz

    dx 1)

    Reemplazando en la ecuacion original tenemos:

    z2(dz

    dx 1) = a2

    Separando las variables, tendra:

    z2dz

    dx z2 = a2

    z2dz

    dx= a2 + z2

    z2

    a2 + z2dz = dx

    Integrando: z2

    a2 + z2dz =

    dx

    z2

    a2dz +

    dz =

    dx

    z3

    3a2+ z x = c

    ej. 2: resolver la ecuacion diferencial

    y + 1 =(x+ y)m

    (x+ y)n + (x+ y)p

    sol. sea z=x+y, entoncesdy

    dx=dz

    dx 1

    De aqu se puede reescribir la ecuacion original como:

    dz

    dx 1 + 1 = z

    m

    zn + zp

    dz

    dx=

    zm

    zn + zp

    Separando las variables, tendremos que:

    zn + zp

    zmdz = dx

    zn + zp

    zmdz =

    dx+ c

    zn

    zmdz +

    zp

    zmdz =

    dx+ c

    znm+1

    nm+ 1 +zpm+1

    pm+ 1 = x+ c

    (x+ y)nm+1

    nm+ 1 +(x+ y)pm+1

    pm+ 1 = x+ c

  • 2.5. ECUACIONES DIFERENCIALES DE VARIABLES SEPARABLES

    Ej. 3: resolver la siguiente ecuacion diferencial:

    xy2(xy + y) = a2

    sol. operando, tendremos que la ecuacion se reduce a,

    x2y2y + xy3 = a2

    (xy)2y +(xy)3

    x2= a2

    Haciendo un cambio de variable,

    z = xy y = zx

    Derivando implcitamente

    y =dzdxx zx2

    Reemplazando en la ecuacion original,

    z2(dzdxx zx2

    ) +z3

    x2= a2

    Haciendo operaciones,

    z2(dzdxx

    x2 z

    3

    x2+z3

    x2= a2

    z2

    xdz = a2xdx

    z2

    xdz =

    a2xdx+ c

    Integrando:

    z3

    3=a2x2

    2+ c

    (xy)3

    3=a2x2

    2+ c/x2

    xy3

    3=a2

    2+ c

  • CAPITULO 2. ECUACIONES DIFERENCIALES DE PRIMER ORDEN

    2.6. Las Ecuaciones Diferenciales Homogeneas

    Una funcion f(x,y) es homogenea de grado n en sus argumentos si se cumple la siguiente relacion:

    f(tx, ty) = tnf(x, y)

    Por ejemplo:f(x, y) = x2 + y2 xy

    Es una funcion homogenea de grado 2, pues;

    f(tx, ty) = (tx)2 + (ty)2 (tx)(ty)f(tx, ty) = t2(x2 + y2) t2(xy)f(tx, ty) = t2(x2 + y2 xy)

    f(tx, ty) = t2f(x, y)

    En resumen;f(tx, ty) = t2f(x, y)

    Si n es = 0, la ecuacion homogenea sera una ecuacion homogenea de grado 0

    Por ejemplo:

    f(x, y) =x2 y2x2 + y2

    Es una ecuacion homogenea de grado 0, pues;

    f(tx, ty) =(tx)2 (ty)2(tx)2 + (ty)2

    Es decir f(tx,ty)=f(x,y) La ecuacion diferencial de la forma

    dy

    dx= f(x, y)

    Se llama homogenea si esta es una funcion homogenea de grado cero en sus argumentos

    Solucion de una Ecuacionon Diferencial Homogenea

    Segun la hipotesis f(x, y) = f(x, y), si consideramos que = 1x

    , tendremos que:

    f(x, y) = f(1,y

    x)

    De aqu efectuando la sustitucion u = yx

    y = ux, entoncestendriamosque :

    dy

    dx=du

    dxx+ u

    si consideramos que dydx

    = f(x, y) = f(1, yx

    ) sustituyendo en esta relacion dydx

    tendremos que:

  • 2.6. LAS ECUACIONES DIFERENCIALES HOMOGENEAS

    du

    dxx+ u = f(1,

    y

    x)

    pero como u = yx

    , tendremos que:

    du

    dxx+ u = f(1, u)

    Que es una ecuacion de variables separables de modo que este se puede escribir como:

    du

    dxx = f(1, u) u

    x1

    dx= f(1, u) u 1

    du

    mdu

    f(1, u) u =dx

    x

    De aqu, tendremos que: du

    f(1, u) u =

    dx

    x+ c

    Siendo la solucion de la ecuacion diferencial homogenea de grado 0 en sus argumentos En esta solucion se deberatomar en cuenta que u = y

    xpara encontrar la solucion deseada

    ej. 1: sea la ecuacionon diferencial

    dy

    dx=

    xy

    x2 y2

    Encontrar la solucion general

    Siendo f(x, y) = xyx2y2 de aqu podemos ver que esta es una funcion homogenea de grado 0, pues:

    f(tx, ty) =(tx)(ty)

    (tx)a (ty)2

    f(tx, ty) =t2(xy)

    t2(x2 y2)f(tx, ty) = f(x, y)

    Es decir, dydx

    = xyx2y2 representa una ecuacion diferencial homogenea de grado 0 en sus argumentos:

    f(tx, ty) = t0f(x, y)

    resolviendo la ecuacion diferencial

    u = yx y = ux

    dy

    dx= u+

    du

    dxx

    dy

    dx=

    xy

    x2 y2

    tenemos que:

  • CAPITULO 2. ECUACIONES DIFERENCIALES DE PRIMER ORDEN

    xy

    x2 y2 = u+du

    dxx//

    1x2

    1x2

    Pero como u = yx

    ,

    u

    1 u2 = u+du

    dxx

    Separando las variables tendramos finalmente que:

    u

    1 u2 u =du

    dxx

    1 u2u3

    du =dx

    x1 u2u3

    du =

    du

    dxx

    u2

    2 ln|u| = ln|x|+ c

    12u2

    = ln|x|+ ln|u|+ c

    12( y

    x)2

    = ln|x yx|+ c

    12( y

    x)2

    = ln|y|

  • Captulo 3

    ECUACIONESDIFERENCIALES LINEALESDE ORDEN N

    3.1. Definicion

    Estas ecuaciones diferenciales lineales de orden N tienen la forma

    An(x) dny

    dxn+An 1(x) dn1y

    dxn1 + ......+A1(x)dydx

    +A0y = R(x)(1) (3.1)

    donde An,An1, A0 > R son funciones que dependen de X o son constantes.Las ecuaciones diferenciales pueden ser escritas como una funcion F (x, y

    , y, ...., yn) = R(x) (2) de aqu se puede

    ver claramente que la variable independiente X, la variable dependiente Y, y las derivadas y, y, ..., yn estan

    relacionadas si la ecuacion (1)R(x) = 0 es decir

    An(x) dny

    dxn+An 1(x) dn1y

    dxn1 + ......+A0y = R(x)(3) (3.2)

    La ecuacion diferencial se conoce como homogeneaPor otro lado si R(x) 6= 0 la ecuacion diferencial sera no homogeneaSi:y1, cy2 son soluciones de la ecuacion (3) y c1, c2, constantes arbitrarias, entonces c1y1 + c2y2 es tambien unasolucion de la ecuacion (3) es decir si,y1, cy2 son soluciones de la ecuacion (3)An(x)yn1 +An 1(x)yn11 +A0(x)y1 = 0An(x)yn2 +An 1(x)yn12 +A0(x)y2 = 0TENDREMOS :An(x)c1yn1 +An 1(x)c1yn11 + .....+A0(x)c1y1 = 0An(x)c2yn2 +An 1(x)c2yn12 + .....+A0(x)c2y2 = 0Sumando y agrupandoAn(X)(c1yn1 + c2y

    n2 ) +An 1(x)(c1yn11 + c2yn12 ) +A0(x)(c1y1 + c2y2) = 0

    An(X)(c1yn1 + c2yn2 )

    n +An 1(x)(c1yn11 + c2yn12 )n1 +A0(x) = 0(c1y1 + c2y2) = 0Es decir:c1y1 + c2y2 es solucion de la ecuacion (3)

  • CAPITULO 3. ECUACIONES DIFERENCIALES LINEALES DE ORDEN N

    3.2. Independencia lineal de funciones

    Consideremos un sistema finito de N funciones es decir f1(x), f2(x), ..., fn(x), definidos con intervalo (a,b), dire-mos que estas funciones son linealmente independientes si existen escalares (1, 2, n) tal que1f1(x) + 2f2(x) + ......+ nfn(x) = 0entonces: 1 = 2 = n = 0si 6= 0, entoncesdichasfuncionessonlinealmentedependientes(l.d.)Ejemplo :seanlasfuncionesf1 = x, f2 = 2x, f3 = x2, ver si son linealmente independientes (l.i.)1f1(x) + 2f2(x) + 3f3(x) = 01x+ 22x+ 3x2 = 0derivando tendremos1 + 22 + 23x = 0

    3.3. El Wronskiano

    Suponiendo que las n funciones f1(x), f2(x), ...., fn(x) son diferenciales al menos (n1)veces, dentro de un intervaloa < x < b, entonces de la ecuacionc1f1 + c2f2 + ...+ cnfntiene como derivaciones sucesivas

    c1f1 + c2f2 + ...+ cnfn = 0c1f1 + c2f

    2 + ...+ cnf

    n = 0c1f

    n11 + c2f

    n12 + ...+ cnf

    n1n = 0

    }= (3.3)

    de aqu puede considerarse como un sistema en entorno ac1, ...., acn as mismo este no tiene solucion excepto enel caso en que todas las ciseannulasSieldeterminanteentornoaa() respecto c1, ....., cn no es nula, es decir tendremos(

    f1 f2 ....fnf 1 f

    2 ....f

    n

    fn11 fn12 ....fnn1

    entoncesdiremosqlasfuncionesf1(x), f2(x), ..., fn(x) son linealmente independientes.

    El determinante de los coeficientes del sistema () generalmente se denota por W es decir

    W =

    (f1 f2 ....fnf 1 f

    2 ....f

    n

    fn11 fn12 ....fnn1

    ). (3.4)

    y se llama Wronskiano de las funciones f1(x), ...., fn(x)Ejemplo:Demostrar que las funciones f1(x) = ex, f2(x) = e2x, f3(x) = e3x son linealmente independientesSolucion:sea el determinante :

    0 =

    (f1 f2 ....fnf 1 f

    2 ....f

    n

    fn11 fn12 ....fnn1

    ). (3.5)

    de aqu (ex e2x e3x

    ex 2e2x 3e3x

    ex 4e2x 9e3x

    ).

    = 25e6x 23e6x = 2e6x(3.6)