Introdução às equações diferenciais



Documentos relacionados
Equações Diferenciais Ordinárias

Processos Estocásticos

Resolução de sistemas lineares

INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE DE PROCESSOS TRANSFORMADAS DE LAPLACE

Eventos independentes

Uma e.d.o. de segunda ordem é da forma

Lista 1 para a P2. Operações com subespaços

Comprimentos de Curvas e Coordenadas Polares Aula 38

Realizando cálculos para o aparelho divisor (I)

Equações Diferenciais Ordinárias

Os conceitos mais básicos dessa matéria são: Deslocamento: Consiste na distância entre dados dois pontos percorrida por um corpo.

Coordenadas Polares. Prof. Márcio Nascimento.

24/Abril/2013 Aula 19. Equação de Schrödinger. Aplicações: 1º partícula numa caixa de potencial. 22/Abr/2013 Aula 18

Resolução dos Exercícios sobre Derivadas

Matemática para Engenharia

1 Propagação de Onda Livre ao Longo de um Guia de Ondas Estreito.

1 A Integral por Partes

4. Tangentes e normais; orientabilidade

por séries de potências

Curvas em coordenadas polares

Circuitos de 2 ª ordem: RLC. Parte 1

Exercícios Teóricos Resolvidos

Evocar os conceitos do MRUV (movimento retilíneo uniformemente variado), do MRU (movimento retilíneo uniforme) e a decomposição de forças.

Singularidades de Funções de Variáveis Complexas

Aula 9 Plano tangente, diferencial e gradiente

Estatística II Antonio Roque Aula 9. Testes de Hipóteses

MODELO MALTHUSIANO APLICADO AO CRESCIMENTO POPULACIONAL DO MUNICÍPIO DE MANOEL VIANA/RS

Discussão de Sistemas Teorema de Rouché Capelli

UFPB PRG X ENCONTRO DE INICIAÇÃO À DOCÊNCIA

Material Teórico - Módulo Elementos Básicos de Geometria Plana Parte 2. A Desigualdade Triangular. Oitavo Ano

Notas de Cálculo Numérico

Cálculo em Computadores trajectórias 1. Trajectórias Planas. 1 Trajectórias. 4.3 exercícios Coordenadas polares 5

Figura 2.1: Carro-mola

Equações Diferenciais

29/Abril/2015 Aula 17

CSE-020 Revisão de Métodos Matemáticos para Engenharia

Diferenciais Ordinárias (EDO)

Projeção e Anaglifos

Sistemas Lineares. Módulo 3 Unidade 10. Para início de conversa... Matemática e suas Tecnologias Matemática

Universidade Federal do Paraná. Setor de Ciências Exatas. Departamento de Matemática

Resolvendo problemas com logaritmos

INSTITUTO TECNOLÓGICO

Unidade 3 Função Logarítmica. Definição de logaritmos de um número Propriedades operatórias Mudança de base Logaritmos decimais Função Logarítmica

AV1 - MA (b) Se o comprador preferir efetuar o pagamento à vista, qual deverá ser o valor desse pagamento único? 1 1, , , 980

3.4 O Princípio da Equipartição de Energia e a Capacidade Calorífica Molar

Além do Modelo de Bohr

Investigando números consecutivos no 3º ano do Ensino Fundamental

Análise no Domínio do Tempo de Sistemas em Tempo Discreto

Análise de Arredondamento em Ponto Flutuante

AMARELA EFOMM-2008 AMARELA

Faculdades Anhanguera

36 a Olimpíada Brasileira de Matemática Nível Universitário Primeira Fase

A Torre de Hanói e o Princípio da Indução Matemática

MD Sequências e Indução Matemática 1

Velocidade Média Velocidade Instantânea Unidade de Grandeza Aceleração vetorial Aceleração tangencial Unidade de aceleração Aceleração centrípeta

3.4 Movimento ao longo de uma curva no espaço (terça parte)

Cálculo Numérico Faculdade de Engenharia, Arquiteturas e Urbanismo FEAU

1) Eficiência e Equilíbrio Walrasiano: Uma Empresa

FACULDADE DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA. Cursos de Engenharia. Prof. Álvaro Fernandes Serafim

Truques e Dicas. = 7 30 Para multiplicar fracções basta multiplicar os numeradores e os denominadores: 2 30 = 12 5

Métodos Quantitativos Prof. Ms. Osmar Pastore e Prof. Ms. Francisco Merlo. Funções Exponenciais e Logarítmicas Progressões Matemáticas

Propriedades das Funções Deriváveis. Prof. Doherty Andrade

Aluno do Curso de Lic. em Matemática da UFMS; e mail: tmviana2000@gmail.com;

CONSERVAÇÃO DA ENERGIA

RESOLUÇÃO DE EQUAÇÕES DIFERENCIAIS ORDINÁRIAS DE ORDEM 2 HOMOGÊNEAS, COM COEFICIENTES CONSTANTES

f (x) = x Marcelo Viana Instituto Nacional de Matemática Pura e Aplicada Marcelo Viana

CADERNO DE ATIVIDADES UMA PROPOSTA METODOLÓGICA PARA O ESTUDO DAS EQUAÇÕES DIFERENCIAIS ORDINÁRIAS POR MÉTODOS NUMÉRICOS.

Manual de Laboratório Física Experimental I- Hatsumi Mukai e Paulo R.G. Fernandes

Expoentes fracionários

Introdução ao estudo de equações diferenciais

FRAÇÕES DE UMA QUANTIDADE

ITA º DIA MATEMÁTICA BERNOULLI COLÉGIO E PRÉ-VESTIBULAR

Capítulo 5: Aplicações da Derivada

PROVA DE MATEMÁTICA DA UFBA VESTIBULAR a Fase. RESOLUÇÃO: Profa. Maria Antônia Gouveia.

Resoluções comentadas de Raciocínio Lógico e Estatística SEFAZ - Analista em Finanças Públicas Prova realizada em 04/12/2011 pelo CEPERJ

Fração como porcentagem. Sexto Ano do Ensino Fundamental. Autor: Prof. Francisco Bruno Holanda Revisor: Prof. Antonio Caminha M.

3º Ano do Ensino Médio. Aula nº10 Prof. Daniel Szente

Exercícios Adicionais

Modelagem de Sistemas Dinâmicos. Eduardo Camponogara

Prof. Rossini Bezerra Faculdade Boa Viagem

A otimização é o processo de

PUCRS FAMAT Exemplos de Equações Diferenciais Parciais- Prof. Eliete

CAPÍTULO 6 TRANSFORMAÇÃO LINEAR

I Semana de Software Livre da USP Dojo C

Refração da Luz Prismas

Curso destinado à preparação para Concursos Públicos e Aprimoramento Profissional via INTERNET Aula Gratuita PORCENTAGEM

QUANTIFICADORES. Existem frases declarativas que não há como decidir se são verdadeiras ou falsas. Por exemplo: (a) Ele é um campeão da Fórmula 1.

Texto 07 - Sistemas de Partículas. A figura ao lado mostra uma bola lançada por um malabarista, descrevendo uma trajetória parabólica.

NIVELAMENTO 2007/1 MATEMÁTICA BÁSICA. Núcleo Básico da Primeira Fase

A lei de Gauss é uma lei geral. Ela vale para qualquer distribuição de cargas e qualquer superfície fechada.

TEORIA UNIDIMENSIONAL DAS

Cálculo. Álgebra Linear. Programação Computacional. Metodologia Científica

Introdução aos Modelos Biomatemáticos - aulas

Teoria de Filas Aula 15

Cálculo Numérico / Métodos Numéricos. Representação de números em computadores Mudança de base 14:05

Cálculo Numérico Faculdade de Engenharia, Arquiteturas e Urbanismo FEAU

Aula 4 Estatística Conceitos básicos

MATEMÁTICA A - 12o Ano N o s Complexos - Equações e problemas

Sérgio Carvalho Matemática Financeira

Root Locus (Método do Lugar das Raízes)

Transcrição:

Introdução às equações diferenciais Professor Leonardo Crochik Notas de aula 1 O que é 1. é uma equação:... =... 2. a incógnita não é um número x R, mas uma função x(t) : R R 3. na equação estão presentes, além de termos envolvendo a função x(t), também termos envolvendo as funções derivadas ; d2 x; d3 x; etc... 2 3 4. Exemplo: ( ) d 7t x 2 2 3 x + 3 x 2 = 5t3 2 Classicação 1. Ordem: refere-se à derivada de maior ordem presente na equação. Exemplos: (a) se só aparece na equação a derivada /, trata-se de uma equação de primeira ordem; (b) se a derivada de maior ordem é d 3 x/ 3, trata-se de uma equação de terceira ordem 2. Linear / não-linear: Se, nos termos envolvendo a função x e suas derivadas, elas aparecem sempre elevadas à potência 1 e não estão multiplicados entre si, trata-se de uma equação linear. Caso contrário, é uma equação não linear. Exemplos: γt e + sen(ωt) x = ln(αt) é uma equação (de segunda ordem) linear; x = 5t é uma equação (de primeira ordem) não-linear; 5t 3 d2 x 2 d2 θ 2 = αsen(θ) é uma equação (de segunda ordem) não-linear; ( ) 2 = 5t x é uma equação (de primeira ordem) não-linear; 3. Homogênêa / inomogênêa: se existe um termo, diferente de zero, independente de x e de suas derivadas, trata-se de uma equação inomogênea. Caso contrário, temos uma equação homogênea. Exemplos:

5t 3 d2 x γt e + sen(ωt) x = ln(αt) é uma equação (de segunda ordem, linear) 2 inomogênea; 5t 3 d2 x 2 e γt +sen(ωt) x = 0 é uma equação (de segunda ordem, linear) homogênea. 4. Autônomo / dependente do tempo: se a variável t, da qual x é função, não aparece explicitamente na equação temos uma equação autônoma. Caso contrário, temos uma equação dependente do tempo. Exemplos: 5t 3 d2 x γt e + sen(ωt) x = ln(αt) é uma equação (de segunda ordem, linear, 2 inomogênea) dependente do tempo; 5 d2 x 3 2 +2 x = 0 é uma equação (de segunda ordem, linear, homogênea) autônoma. 3 Abordagens para resolução 3.1 Resolução numérica Há vários métodos. Todos eles, entretanto, partem de um mesmo princípio: escolhemos um valor de intervalo de tempo t sucientemente pequeno. Apartir daí, iteramos a equação: calculamos o valor de x(t + t) a partir do conhecimento de x(t) e /(t). Vamos explicar esse processo através de um exemplo. Exemplo 1 Seja a equação: ( ) 2 = 5t x (1) 1. Para iniciar a resolução, precisamos conhecer a condição inicial. Suponhamos x(0) = 3. 2. Vamos isolar a derivada /: e calcular seu valor para t = 0 : = 5t x (0) = 5 0 x(0) (0) = 5 0 3 = 0 3. Denimos agora um valor para = t = 0, 01. Conhecendo x(t), calculamos x(t + t): x(0) = 3 x(0 + 0.01) = 3 + t = 3 + 0 0, 01 = 3

x 100 80 60 40 20 0 0 1 2 3 4 5 t Figura 1: Solução da equação (1) para x 0 = 3. 4. Voltamos à etapa 2, porém agora para t = 0, 01: e assim por diante. (0, 01) = 5 0, 01 x(0, 01) (0, 01) = 5 0, 01 3 = 0, 3873 x(0, 01 + 0, 01) = x(0, 01) + t = 3 + 0, 3873 0, 01 = 3, 003873 Exemplo 2 Seja a equação: d 2 x + + x = sen(t) 2 (2) 1. Nesse caso, temos uma equação de segunda ordem. Vamos desmembrá-la em duas equações de primeira ordem acopladas. Chamemos / de v: { = v dv = v x + sen(t) 2. Precisamos agora das condições iniciais. Suponhamos x(0) = 3 e v(0) = 0. Calculamos então /(0) e dv/(0): { dv (0) = v(0) = 0 (0) = v(0) x(0) + sen(0) = 3

x 3 2 1 0 1 2 0 10 20 30 40 50 t Figura 2: Solução da equação (2) para x 0 = 3 e v 0 = 0. 3. Escolhemos t = 0, 01 e calculamos x(0 + t) e v(0 + t) a partir de x, v, / e dv/: { x(0 + t) = x(0) + t = 3 v(0 + t) = v(0) + dv t = 0, 03 4. Voltamos à etapa 2, mas agora para t = 0, 01: { dv (0, 01) = v(0, 01) = 0, 03 (0, 01) = v(0, 01) x(0, 01) + sen(0, 01) = 2, 96 e assim por diante... { x(0, 02) = x(0, 01) + t = 2, 9997 v(0, 02) = v(0, 01) + dv t = 0, 0596 Comentários 1. A escolha adequada do intervalo de tempo t é o ponto crítico. Um valor sucientemente pequeno para uma equação pode não o ser para outra. 2. Esse método de resolução permite descobrir a função procurada, dada a condição inicial. Ele não nos permite encontrar a forma algébrica dessa função para qualquer condição inicial. 3. Em compensação, qualquer equação diferencial pode, em princípio, ser resolvida dessa forma. 4. O método aqui apresentado é o Método de Euler.

3.2 Análise do espaço de fases Considere uma equação diferencial autônoma. Exemplos: = (x2 1) (3) d 2 x = 5x (4) 2 Para a equação (3), o conhecimento de x em um dado instante t permite determinar a trajetória. Por isso, o espaço de fases é unidimensional: />0 /<0 />0 1 0 1 x equilibrio estavel equilibrio instavel Para a equação (4), é necessário conhecer x e v em um dado instante t para determinar a trajetória. Por isso, o espaço de fases é bidimensional: dv = v = 5 x v />0 dv/>0 v max x min x max x v min dv/<0 /<0

A análise do espaço de fases nos permite concluir como são, geometricamente, as trajetórias para todas as condições iniciais próximas de um ponto de equilíbrio. Ela não permite, entretanto, saber a forma exata da trajetória x(t). Trata-se de uma análise qualitativa. A representação no espaço de fases nos permite ver a diferença entre soluções de equações de primeira e de segunda ordem. No primeiro caso, o espaço das soluções é unidimensional (depende apenas de uma constante ligada à condição inicial), enquanto, no segundo caso, é bidimensional (depende de duas constantes). 3.3 Resolução analítica A resolução analítica é a única que permite saber a expressão algébrica da função x(t). Entretanto, nem todas as equações diferenciais podem ser resolvidas analiticamente. Equação diferenciais lineares sempre podem ser resolvidas analiticamente. Vamos ver alguns métodos, sem, entretanto, buscar a completeza. Equações de primeira ordem = x2 t + t (5) 1. Precisamos fatorar o lado direito de (5), buscando separar um fator que dependa só de x e outro que dependa só de t: = (x2 + 1)t x 2 + 1 = t 2. Separamos assim a equação em um membro envolvendo apenas x e outro envolvendo apenas t. Podemos, portanto, integrar os dois membros: x(t) x 0 x 2 + 1 = t arctg(x(t)) arctg(x o ) = t 2 /2 0 t arctg(x(t)) = arctg(x 0 ) + t 2 /2 x(t) = tg(arctg(x 0 ) + t 2 /2) Equações de segunda ordem O problema (autônomas): Vamos ver como resolver equações lineares, homogêneas, a coecientes constantes a d2 x 2 + b + c x = 0 (6)

Figura 3: Solução da equação (5) para x 0 = 3. Transformação em um problema algébrico Nosso objetivo é transformar essa equação diferencial em uma equação algébrica, ou seja, em uma equação cuja incógnita é um número p R. Sabemos que d et = e t. Ou seja, é como se a função exponencial fosse o elemento neutro da derivação. Pensando nisso, vamos propor uma solução tentativa para a equação (6): Temos que: x p (t) = e pt (7) d x p = p e pt d x p = p x p d 2 x 2 p = p 2 e pt d2 x 2 p = p 2 x p, de maneira que a operação de derivar essa função é equivalente à operação de multiplicá-la por p. Substituindo (7) em (6), temos: a p 2 x p + b p x p + c x p = 0 a p 2 + b p + c = 0 (8) Para que (7) seja solução da equação diferencial (6), p precisa ser solução da equação algébrica (8). Nosso problema reduziu-se assim a resolver uma equação de segundo grau: p 1 = b + b 2 4ac 2a p 2 = b b 2 4ac 2a x 1 (t) = e p 1t x 1 (t) = e p 2t (9)

Algorithm 1 Demonstração da propriedade de superposição de soluções Como x 1 e x 2 são soluções de (6), sabemos que: a d2 x 1 2 + b 1 + c x 1 = 0 (10) a d2 x 2 2 + b 2 + c x 2 = 0 (11) Somando a equação (10) multiplicada por α à equação (11) multiplicada por β, temos: a α d2 x 1 2 + a β d2 x 2 2 + b α 1 + b β 2 + c αx 1 + c βx 2 = 0 x(t) a d2 ( { }} { αx 2 1 + βx 2 ) + b d x(t) x(t) ( { }} { { }} { αx 1 + βx 2 ) + c( αx 1 + βx 2 ) = 0 Portanto, x(t) é solução da equação (6). Como depende de duas constantes arbitrárias, α e β, x(t) é a solução geral da equação. Solução geral: superposição de soluções Encontramos duas soluções particulares para a equação (6). Qual será sua solução geral? A solução geral deve depender de duas constantes, determinadas a partir das condições iniciais (por que?). Para equações diferenciais lineares e homogêneas, vale a propriedade de superposição de soluções, demonstrada no quadro 1: Se x 1 (t) é solução de (6) e x 2 (t) é solução de (6), então x(t) α x 1 (t) + β x 2 (t) é a solução geral da equação (6), onde α e β são constantes que dependem das condições iniciais. A solução geral é, portanto: x(t) = α x 1 (t) + β x 2 (t) (12) Análise das possíveis soluções em (9). Temos três casos possíveis: Nossa solução geral depende dos valores de p, determinados 1. Caso 1: b 2 4ac > 0 Soluções reais e distintas. Temos essencialmente a soma de duas funções exponenciais. Como exemplo, vamos resolver a equação:, submetida à condição inicial x(0) = 4 e /(0) = 1. (a) Equação algébrica característica: d 2 x + 5 + 4x = 0 2 (13) p 2 + 5p + 4 = 0 p 1 = 4 ou p 2 = 1

x 4 3 2 1 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 t Figura 4: Solução da equação (13) para x 0 = 4 e v 0 = 1. (b) Solução geral (equação (12)): (c) Determinação de α e β: x(t) = αe 4t + βe t { x(0) = 4 α + β = 4 α = 5/3 (0) = 1 4α β = 1 β = 17/3 x(t) = 5 3 e 4t + 17 3 e t 2. Caso 2: b 2 4ac < 0 Soluções complexas e distintas. Nesse caso, temos: p = b ± }{{} 2a γ b 2 4ac 4a 2 } {{ } ω 2 p 1 = γ + i ω x 1 (t) = e γt e iωt p 2 = γ i ω x 2 (t) = e γt e iωt (14) Quanto vale e iωt? A resposta a essa pergunta é a chamada fórmula de Euler, demonstrada no quadro 2: e iθ = cos θ + isenθ (15) Assim, a solução geral da equação ca (equações (12), (14) e (15)): x(t) = e γt (α cos ωt + β cos( ωt) + iαsenωt + iβsen(-ωt)) = = e γt (α cos ωt + β cos(ωt) + iαsenωt iβsen(ωt)) (17) Para garantir que x(t) seja uma função real, escolhemos valores de α e β que anulem a parte imaginária da equação (17). Por isso, fazemos α A i B 2 2 e β = A + i B 2 2 e, substituindo em (17), temos: x(t) = e γt [A cos ωt + B senωt] (18)

Algorithm 2 Demonstração da fórmula de Euler Dena x(θ) = e iθ. Nossa estratégia é: descobrir de que equação diferencial de segunda ordem essa função é solução. Sabemos que x(0) = e i 0 = 1. Calculemos /dθ: Calculemos d 2 x/dθ 2 : dθ = ieiθ dθ (0) = i d 2 x dθ 2 = i2 e iθ = =x(θ) {}}{ e iθ Mostramos em aula que a solução da equação diferencial (16) é: Substituindo as condições iniciais: x(θ) = a cos(θ) + b sen(θ) x(0) = 1 a = 1 (0) = i dθ b = i, d2 x = x (16) dθ2 concluimos que: x(θ) e iθ = cos θ + isenθ Exemplo: Resolver a equação:, submetida à condição inicial x(0) = 4 e /(0) = 1. (a) Equação algébrica característica: (b) Solução geral (equação (18)): d 2 x + 2 + 5x = 0 2 (19) γ {}}{ {}}{ p 2 + 2p + 5 = 0 p 1 = 1 + 4 i ou p 2 = 1 4i ω (c) Determinação de A e B: x(t) = e 1t (A cos 4t + Bsen4t) = e 1t ( 4Asen4t + 4B cos 4t) e 1t (A cos 4t + Bsen4t) { x(0) = 4 A = 4 A = 4 (0) = 1 4B A = 1 B = 5/4 x(t) = e t (4 cos 4t + 5/4sen4t)

x 4 3 2 1 0 1 2 0 1 2 3 4 t Figura 5: Solução da equação (19) para x 0 = 4 e v 0 = 1. 3. Caso 3: b 2 4ac = 0 Soluções reais e idênticas Nesse caso, o método utilizado por nós só encontrou uma solução para a equação. Entretanto, a solução geral precisa de duas soluções (e duas constantes que dependem das condições iniciais). p = b 2a x 1 = e b 2a t. Mas, como encontrar uma segunda solução x 2? Não vamos mostrar aqui como encontrá-la. Mas você pode vericar que x 2 = t e b 2a t também é solução da equação (6) no caso em que b 2 4ac = 0. A solução geral ca, portanto: x(t) = αe b 2a t + βt e b 2a t (20) Exemplo: Resolver: d 2 x + 4 + 4x = 0 2 (21), submetida à condição inicial x(0) = 4 e /(0) = 1. (a) Equação algébrica característica: (b) Solução geral (equação (20)): (c) Determinação de α e β: p 2 + 4p + 4 = 0 p 1 = p 2 = 2 x(t) = αe 2t + βt e 2t = 2αe 2t + βe 2t 2βt e 2t { x(0) = 4 α = 4 α = 4 (0) = 1 2α + β = 1 β = 9 x(t) = 4e 2t + 9te 2t

x 4 3 2 1 0 0 1 2 3 4 t Figura 6: Solução da equação (21) para x 0 = 4 e v 0 = 1.