6 EDOs exactas de orden
Consideramos una EDO de primer orden que se expresa en forma diferencial
donde y son funciones diferenciables.
Decimos que es una EDO exacta si existe diferenciable (funcion potencial) tal que
Sea la EDO . Se trata de una EDO no lineal de orden 1. Ademas, es exacta ya que existe
que verifica
La EDO
es exacta si y solo si
Por definicion, dado que tal que y , la EDO exacta se escribe
Al ser diferenciable,
Por lo que la EDO expresa la anulacion de la aplicacion diferencial de :
Por tanto, es una funcion potencial constante (curva equipotencial). Luego podemos escribir
(diferencial nula implica funcion constante). A partir de este resultado, podemos determinar la solucion general de la EDO.
Por otra parte, por ser diferenciable, sabemos que por el teorema de Schwarz las derivadas cruzadas de son iguales:
Por lo que:
β
En el ejemplo anterior,
y se tiene
Asi, la obtencion de la solucion general se realiza de la siguiente forma:
-
1.β
Comprobar .
-
2.β
Integrar con respecto a la funcion para obtener (hacer con respecto a y con ).
Dado que por definicion
obtenemos
con constante de integracion con respecto a (es una funcion de ).
Para ello, derivamos con respecto a
y como por definicion
entonces
Entonces:
( constante de integraciΓ³n con respecto a y de algo que no depende de )
Por lo que, absorbiendo en la constante arbitraria :
solucion general (1 parametro , para una EDO de orden , coherente).
Consideremos la EDO
Tenemos que , . Veamos si es exacta:
Como coinciden, efectivamente es una EDO exacta de orden en forma diferencial.
Integramos con respecto a la funcion :
Derivando respecto a :
Calculamos el segundo termino de la formula:
Por tanto, la solucion general en forma implicita es
Comprobar si la siguiente EDO es exacta y resolver.
Tomamos y .
Se tiene
Como son iguales, se trata de una EDO exacta de orden . Usamos la formula deducida anteriormente para resolverla:
Sea el problema de Cauchy
Tenemos que , .
Luego es una EDO exacta no lineal de orden . Vamos a resolverla aplicando integracion por partes.
Como
se tiene
Despejando , obtenemos la solucion en forma explicita:
Debemos aplicar ahora la condicion del problema de Cauchy.
6.1 EDOs de primer orden reducibles a EDOs exactas (factor integrante)
Consideramos la EDO de primer orden en forma diferencial (puede ser no lineal)
donde y son funciones diferenciables.
Suponemos que esta EDO no es exacta:
Vamos a buscar la forma de convertir (reducir) esta EDO a una EDO exacta. Nos hacemos la pregunta: existe una funcion no nula tal que EDO sea exacta?
Tenemos que es exacta si y solo si
y si es asi, se puede resolver como tal. Llamaremos a factor integrante para la ecuacion 8.
No suele ser facil encontrar ni resolver la EDO resultante (problemas de integracion).
Podemos escribir la condicion 10 como
que es una ecuacion diferencial en derivadas parciales de orden , la cual no sabemos resolver.
Vamos a imponerle condiciones aΓ±adidas a (restricciones) que permitan simplificar la EDP.
-
β
Caso : En este caso, consderamos que no depende de , por lo que
y obtenemos de la expresion anterior:
que es una EDO de orden lineal homogenea en . Se resuelve para encontrar . Dividiendo entre ,
Aplicando la formula para EDOs lineales homogeneas de orden ,
(analizar casos en los que ).
Ahora, conociendo , multiplicamos la EDO 8 para obtener la EDO exacta 9, que se resuelve como EDO exacta para obtener la expresion de la solucion general de la EDO 8.
La EDO 9 es
Escrita en , nos da
-
β
Caso : En este caso, consideramos que no depende de , por lo que
y obtenemos de la expresion anterior
que es una EDO de orden lineal homogenea en . Se resuelve para encontrar . Dividiendo entre ,
y por tanto
Vamos a reducir la EDO siguiente a EDO exacta encontrando el factor integrante , y obtener la expresion de su solucion general
Se tiene , , por lo que
Buscaremos un factor integrante dependiente solo de . Aplicando la formula anterior,
Entonces, multiplicando la EDO inicial,
y tenemos ahora
por lo que es una EDO exacta y la podemos resolver como tal:
Por tanto, la solucion general de la EDO es
(orden , parametro: coherente).