CURSO DE NIVELAMENTO PEQ/COPPE/UFRJ M.Sc EQUAÇÕES DIFERENCIAIS ORDINÁRIAS. Prof. Evaristo Chalbaud Biscaia Junior

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1 CURSO DE NIVELMENTO PEQ/COPPE/UFRJ M.S. EQUÇÕES DIFERENCIIS ORDINÁRIS Pof. Esto Clbu Bs Juo Fe Wlelm Bessel Bo: Jul 8 Me Westl (ow Gem) De: M 8 Kögsbeg Puss (ow Klg Russ) )

2 -) Equções Dfees e Pme Oem Le São equções fees oás fom: PROGRM DE ENGENHRI QUÍMIC/COPPE/UFRJ NIVELMENTO - M. S. - Equções Dfees Oás α f Multlo-se membo membo equção m o µ esult: µ µ α µ f oseo que fução esol e moo que: [ µ ] µ µ sej µ µ µ µ ssm ee-se te: α µ µ e α seo um ostte btá oeetemete esol. α µ f fução µ é m e fto e tegção equção ogl e ossblt ós su etemção esole equção fom: [ µ ] µ µ Eemlo Ilustto: Resole equção feel: Detemção e µ : esult: ( ) esult: te f µ f C e el µ oto µ multlo membo membo equção o ssm: l( C l C )

3 PROGRM DE ENGENHRI QUÍMIC/COPPE/UFRJ NIVELMENTO - M. S. - Equções Dfees Oás -) Equções Dfees e Pme Oem Ets Sej um fução e e : ϕ ssm se te C ϕ tem-se: ϕ ϕ ϕ. Defo-se: M ϕ e N ϕ seo ϕ um fução otíu om s us mes es otíus tem-se: ϕ ϕ ϕ ms: M ϕ e N ϕ logo: N M. Pemto olu que equção feel oá e me oem fom: N M se: N M etão su solução é: te C M M ϕ ϕ Ou te b C N N η η ϕ ϕ s osttes e b são btás! Eemlo Ilustto: Resole equção feel:. Ietfo: M M e N N. ssm omo: N M

4 bus-se: ( ) ( ) ϕ ϕ ϕ PROGRM DE ENGENHRI QUÍMIC/COPPE/UFRJ NIVELMENTO - M. S. - Equções Dfees Oás te ϕ( ) f C e te ( ) g C Cofoto s us foms e ϕ() tem-se f e equção feel é etão:. g. solução -) Equções Dfees e Pme Oem Comost o Fuções Homogêes e Mesmo Gu Defção: Um fução e e é t omogêe e gu se um ostte el qulque λ este um lo e tl que: f ( λ ) λ f ( ) equção feel oá e me oem: ( ) Q( ) λ. P é t omogêe se P() e Q() são mbs fuções omogêes e mesmo gu. Cso s fuções P() e Q() foem mbs fuções omogêes e mesmo gu etão equção feel P( ) Q( ) oe se tsfom em um equção e áes seáes tés substtução:. ou sej: e ltetmete oe-se ot substtução: u o que esult em u e u u. Eemlo Ilustto: Resole equção feel: Ess equção oe se ej fom: ( ) emto etf: P ( ) e Q( ). Como: P ( λ ) λ λ P( ) λ e

5 PROGRM DE ENGENHRI QUÍMIC/COPPE/UFRJ NIVELMENTO - M. S. - Equções Dfees Oás Q Q λ λ λ λ λ são mbs fuções omogêes e seguo gu ot-se: () áel o lug e etão: Itego um os membos últm equção esult: te te e C C l l l olto à áel ogl : e () áel u o lug e etão: u u u u u u u u Itego um os membos últm equção esult: u te te e B u C C u l l olto à áel ogl : B e -) Equções Dfees e Pme Oem om Coefetes Lees São equções fees oás fom: b γ β α oto equção s os áes: u u δ ε ssm: γ δ β ε α β α γ β α δ ε u b b u b Seleoo ε e γ ts que: β α γ α δ β α γ β ε γ δ β ε α δ ε b b b b eg-se :

6 PROGRM DE ENGENHRI QUÍMIC/COPPE/UFRJ NIVELMENTO - M. S. - Equções Dfees Oás u α u β ( u b ) Que é um equção feel e me oem omost o fuções omogêes e meo gu oeo se esol elo mesmo oemeto esto o tem. -) Equções Dfees e Pme Oem to Beoull São equções fees oás fom: P Do membo membo o esult: [ ] P Q [ ] otse o áel eeete: Q [ ] om omo: [ ] [ ] esulto em: ( ) ( ) P ( ) Q Que é um equção feel oá le e me oem! [ ] Note que se equção oe se est fom: é um equção feel oá le e me oem e omogêe! -) Equções Dfees e Segu Oem Le São equções fees oás fom: [ P Q ] que já f om -) Equções Dfees e Segu Oem Le e Coefetes Costtes Se os oefetes equção [ o e ] foem osttes oe-se esole equção omogêe oesoete [oseo f()] o oeo D seguo: Sejm λ e λ s ízes (loes teístos) o olômo e seguo gu (olômo teísto): e: D D λ λ e λ λ é: etão solução

7 PROGRM DE ENGENHRI QUÍMIC/COPPE/UFRJ NIVELMENTO - M. S. - Equções Dfees Oás () se os loes teístos es e sttos o: > C e( ) C ( λ ) e λ ; () se os loes teístos es e gus: λ λ λ o: ( ) ( C C ) e λ ; () se os loes teístos omleos e ojugos: < λ σ ω λ σ ω seo σ e ω o: ( σ ) [ C os( ω ) C se( ω ) ] e( σ ) os( ω φ) e. P etem solução o oblem ão omogêeo o-se à solução o oblem omogêeo () m solução tul que oe se etem o os oemetos sttos: () Métoo os Coefetes Detem: este oemeto fom solução tul eee fom fução f() e é eset tbel segu: f() () α β e ( ) B e ( µ ) µ [ α os( θ ) α se( θ ) ] e( µ ) [ β os( θ ) β se( θ ) ] e( µ ) Os oefetes e () são etemos substtuo oesoete eessão equção feel guo os temos e gulo os oefetes os temos gus e mbos os membos. É motte esslt que o oemeto só é álo se fução f() ão fo solução fom omogêe equção feel quo: f f f esto os sos ossíes segu: ee-se emeg o oemeto stto

8 () so () so e f α etão : PROGRM DE ENGENHRI QUÍMIC/COPPE/UFRJ NIVELMENTO - M. S. - Equções Dfees Oás β ; e f α etão : α () so f ( µ ) µ etão: B e ( µ ) () so f e ( µ ) ou f ( µ ) β β ; e seo µ e e seo > µ µ e etão: B e( µ ) () so f [ α ( θ ) α se( θ ) ] e( µ ) os seo om µ θ etão: [ β ( θ ) β se( θ ) ] e( µ ) os (b) Métoo e Vção e Pâmetos: este oemeto segute fom solução tul é oost: z z seo () e () s us fuções que omõem solução equção omogêe oesoete. s fuções z () e z () são etems substtuo eessão e () equção feel e etfo os temos gus os os membos. Note que: z z z z oseo: z z z z e esult: z z z z z z f. logo:

9 é: Resulto o sstem le: f PROGRM DE ENGENHRI QUÍMIC/COPPE/UFRJ NIVELMENTO - M. S. - Equções Dfees Oás z z z z uj solução f z f z z f f z ge tgem este oemeto é su geele oeo se lo qulque fom fução f(). lém sto o oemeto oe se tmbém lo esolução e equções fees lees om oefetes áes. Eemlo Ilustto: Resole equção feel: 8 e Detemção os loes teístos o oblem: ( λ) λ 8λ etfo λ 8λ λ olu-se que os os loes teístos o oblem são gus: λ λ λ etão solução o oblem omogêeo oesoete é: e ( ) ( C C ). solução tul seá: () métoo os oefetes etem: omo fução f e é solução o oblem omogêeo oesoete bus-se solução tul fom: B e ego-se : 8 B e e logo o lo e B é etemo Buso go um solução tul fom: B e 8 eg-se : B e e B logo: 8

10 e PROGRM DE ENGENHRI QUÍMIC/COPPE/UFRJ NIVELMENTO - M. S. - Equções Dfees Oás e C C. e e e () métoo ção e âmetos: etfo e tem-se z z z z 8z e logo: e e e. Resulto êto o obto o oemeto teo! -) Equções Dfees e Segu Oem Le e Coefetes Váes São equções fees oás fom: om Que oe tmbém se eest fom: f P Q R os tes e se eset o oemeto gel e esolução o oblem solução em sées esetm-se segu lgus oemetos que oem se utlzos em lgus sos eses. () Muç áel eeete: sej z u() seo z() um fução e se ef osteomete substtuo () equção feel obtém-se: z z u u z z P z P Q z -)Pme esol e z(): esole-se z() tl que P z etfo o z fto e tegção: µ e P tem-se: z z P z e P oto : e P z z z u R ou : etão:

11 z z P Q z Q P ogl tsfom-se em: PROGRM DE ENGENHRI QUÍMIC/COPPE/UFRJ NIVELMENTO - M. S. - Equções Dfees Oás P z e equção feel u P Q P u R. seo R R e P. equção feel tsfom ão otém o temo e me o áel eeete oeo em lgus sos se ms P flmete esol sto ooe se o temo: Q P fo ostte ou um múltlo e /. Eemlo Ilustto: Resole equção feel: Ietfo: P() Q e R() tem-se: z e Q P P e tsfomo-se equção ogl em: u u u u. Est últm equção feel é eom Equção e Eule que eset fom gel: f tl equção oe se tsfom em um equção feel le e e oefetes osttes tés segute muç áel eeete: e l ssm: ( ) e ( ) ( ) ;

12 PROGRM DE ENGENHRI QUÍMIC/COPPE/UFRJ NIVELMENTO - M. S. - Equções Dfees Oás... Pemto ssm eess os temos fom: tsfomo equção em: f e f b. solução o oblem omogêeo oesoete se: j j j e λ α olto à áel ogl temse: j j j λ α est me os loes e λ j oem se obtos etmete equção ogl oseo: ssm: e ssm suessmete. Pemto olu que:... substtução últm eessão oesoete equção omogêe emte obte: β etão os loes e λ j são s ízes o olômo: () β. No so tul e tem-se: ssm:

13 > () se C C ; λ λ o: () se PROGRM DE ENGENHRI QUÍMIC/COPPE/UFRJ NIVELMENTO - M. S. - Equções Dfees Oás os loes teístos es e sttos solução é os loes teístos es e gus: [ ] λ λ λ o: C C l < () se λ ; λ σ ω λ σ ω seo σ e ω os loes teístos omleos e ojugos: ( ) σ { C os[ ω l ] C se[ ω l ]} e( σ ) os[ ω l φ] u u. lo o oemeto à equção: o: que é um Equção e Eule e segu oem e omogêe tem-se: ( ) ( ) ( ) ( ) ujs ízes são: λ e solução o oblem é etão: u. λ solução equção é etão: z z -)Segu esol e z(): esole-se z() tl que P Q é z() é solução equção feel omogêe oesoete ssm: z u u z P z u z z P u u efo: R z z P z R e ou: z. oto omo o áel eeete: P e R Q tem-se: z sto

14 PROGRM DE ENGENHRI QUÍMIC/COPPE/UFRJ NIVELMENTO - M. S. - Equções Dfees Oás P Q que é um equção feel le e me oem tl equção oe se esol elo oemeto usul e ós etemção e () te etem-se: u C Eemlo Ilustto: Resole equção feel: 8 e Po seção ê-se que fução e. solução equção omogêe oesoete. oto-se e u B u esult em: u logo: u e. Resulto solução gel: e ( B) Eemlo Ilustto: Resole equção feel: m Po seção ê-se que fução é solução equção omogêe oesoete. u oto-se u u m efo: esult: e u tem-se: esult em: m. Ietfo o fto e tegção: µ e m m e e e Ou sej: m e e logo:

15 u ( η) η m η B η η e η B η PROGRM DE ENGENHRI QUÍMIC/COPPE/UFRJ NIVELMENTO - M. S. - Equções Dfees Oás η e η (b) Muç áel eeete: em lgus sos equção feel: P Q R oe em lgus sos se smlf too-se áel eeete o z z z ( z) z e z ( z) z z Seleoo z() tl que: ssm el eg e: z ( z) z ( z) P z z z ( z) eest em temos e z ão otém o temo z Q z z R tem-se: z P e P ( z) z fál esolução que equção fom ogl. Eemlo Ilustto: Resole equção feel: ssm: z() tl que z z. equção e oe em ets stuções se e ms ( z) z z ( z) z z z z z ( z) z z z z ( z) z z etão: z ( z) seleoo logo: ou sej:. solução fom omogêe equção feel m é: ( z) C z) C se( ) e solução tul é fom: ( z) z os( z β β

16 etão: z ( z) equção é: ( z) PROGRM DE ENGENHRI QUÍMIC/COPPE/UFRJ NIVELMENTO - M. S. - Equções Dfees Oás ( z) β β z z β ' β z C os( z) C se( z) olto à áel : C os( ) C se( ) Eemlo Ilustto: Resole equção feel: ssm: os ( ) ( z) z os os z seleoo z() tl que: se z se [ os ] z ( z) se [ os ] z z z z os se os z ou sej: os z se esulto em: ( z) ( z) z. solução omlet [ os ] z z [ os ] [ os ] ( z) ( z) C e C e z z olto à áel : se( ) se C e C e os z () Ietfção e equções fees ets: á sos em que é ossíel etf eessão: omo e et e um equção feel e me oem sto é: b b oém omo:

17 b b b tl só ooe se: b b ; PROGRM DE ENGENHRI QUÍMIC/COPPE/UFRJ NIVELMENTO - M. S. - Equções Dfees Oás b b b b b b e. Etão equção se et os oefetes equção feel ogl eem stsfze : b ou sej:. ós ef oção tem-se: b e b. Eemlo Ilustto: Resole equção feel: Ietfo: ; e b b e tem-se: efo-se oção etão:. µ logo: O fto e tegção últm equção é: e e C e e C e C elto (): e C e C.

18 PROGRM DE ENGENHRI QUÍMIC/COPPE/UFRJ NIVELMENTO - M. S. - Equções Dfees Oás Eemlo Ilustto: Resole equção feel: e e e e tem-se: Ietfo: ; e b b e e e e efo-se oção etão: e e e logo: e C. O fto e tegção últm equção é: e( e ) logo: [ ( e ) ] e( e ) C e( e ) e e ou sej: e e e e C e C µ e e e e C e e C. Elto (): Quo o oeo feel ão fo eto oe se que est um fução µ (fto e tegção) que multlo o oeo toe-o eto ssm que o oeo feel: µ µ µ sej eto ee-se te: [ µ ] [ µ ] µ sto é: µ µ µ

19 PROGRM DE ENGENHRI QUÍMIC/COPPE/UFRJ NIVELMENTO - M. S. - Equções Dfees Oás µ é um equção m é m e equção jut e o fto e tegção tegl tul ess equção. Eemlo Ilustto: Resole equção feel: m Ietfo: ; e m µ equção jut é: µ m µ m µ µ µ se m equção ogl ssume fom: oto: se b ( m) se ( m) se( m) b se( m) ssume fom: ( m) m C os( m) C se( m) se( m) [ se( m) ] ssm: se( m) m os( m) e equção se se( m) m os( m) se( m) [ se( m) m os( m) ] C [ se( m) m os( m) ] ou: logo: C. O fto e tegção últm equção é: se( m) µ logo: se sej: ( m) se m se m C se ( m) m [ se( m) ] se m Elto (): os( m) [ se( m) ] C os m se ( m) ( m) C C [ se( m) ] ou C os m C se m m ou em fom ms smlf: ( m) B ( m) os se 8

20 PROGRM DE ENGENHRI QUÍMIC/COPPE/UFRJ NIVELMENTO - M. S. - Equções Dfees Oás -) Resolução em Sées e Potês e Equções Dfees e Segu Oem Le e Coefetes Váes Homogêes --) Em Too e Potos Oáos Métoo e Fus Equções fees oás fom: Se e q são mbs fuções líts em etão solução gel equção é: seo e osttes btás e e são us soluções em sées lemete eeetes líts em. lém sso o o e oegês e e são elo meos gus o meo os os e oegê e () e q(). Eemlo Ilustto: Resole equção feel (Equção e ): Ietfo: e q que são mbs líts em om o e oegê fto bus-se etão: logo: e. Etão: [ ]

21 PROGRM DE ENGENHRI QUÍMIC/COPPE/UFRJ NIVELMENTO - M. S. - Equções Dfees Oás o ogem à equção e eoê:... om. ssm: om ; om ; om ; om ; om ; om 8 8 ; om 8 8 ; om 8 ; om 8. Pemto obte: 8 8 ) ( Ietfo-se: 8 8 ) ( e ) (. Neste so ão fo ossíel etf um le e fomção os oefetes s us esões etetto é ossíel ef eeset esss us sées utlzo equção e eoê:... om. P se obte eesetção gáf e e osem-se s us stuções: Reesetção e :... om ; e ós etemção os oefetes ot-se: N.

22 Reesetção e : ( ) ( ) PROGRM DE ENGENHRI QUÍMIC/COPPE/UFRJ NIVELMENTO - M. S. - Equções Dfees Oás... om ; e ós etemção os oefetes ot-se: Tl oemeto fo lo o ogem às fgus:. N.. ( ) ( ). esus om N esus om N Um out me e esole equção feel o sées e otês é tés e suesss feeções equção ogl ssm o eemlo equção ogl é: ou. Dfeeo membo membo eessão em elção à áel : omete:. Pemto etf equção: Em tem-se: omete: e ( ) ( )... ms:

23 PROGRM DE ENGENHRI QUÍMIC/COPPE/UFRJ NIVELMENTO - M. S. - Equções Dfees Oás!! etão: e!!. s equções euss obts são gus às obts teomete! Eemlo Ilustto: Resole equção feel (Equção e Legee): seo um úmeo teo osto. Ietfo: e q que são líts em e s oesoetes sées esetm o mesmo o e oegê R ou sej s esões em sée e () e q() oegem o omío -<<. Com: tem-se: ; e [ ].. Flmete:

24 PROGRM DE ENGENHRI QUÍMIC/COPPE/UFRJ NIVELMENTO - M. S. - Equções Dfees Oás [ ] [ ] Isto é: [ ]... lso-se equção eus é ossíel olu que: α seo: α α... om α e β seo: β β... om β Quo fo um úmeo solução () seá um fução oloml e gu e quo fo um úmeo ím solução () seá um fução oloml e gu. s fgus bo eesetm s us soluções e P () esus [ () om ] () om

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