Matemática Essencial

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EDO: Redução da ordem em uma EDO
Ulysses Sodré

Material desta página

Na sequência são apresentados alguns tipos especiais de Equações Diferenciais e algumas formas para obter as respectivas soluções por redução a outras mais simples.

1 Equação com a derivada n-ésima

A solução é obtida por \(n\) integrais sucessivas da função \(f=f(x)\).

Exemplo: \(y''' = 2x + 7\)

Realizar a primeira integral para reduzir a ordem para:

\[y'' = x^2 + 7x + C_1\]

Na sequência tomar duas outras integrais para obter:

\[y(x) = \frac{1}{12} x^4 + \frac{7}{12} x^3 + A x^2 + Bx + C\]

2 Equação sem y e suas derivadas até a ordem k-1

2.1 A equação sem a função y

Exemplo: \(x y''+y'=0\)

Tomando \(p(x)=y'(x)\), obtemos a EDO com a ordem uma unidade a menos na variável dependente \(p\) e na variável independente \(x\):

\[x p' + p = 0\]

A solução desta equação é:

\[p(x) = \frac{K}{x}\]

Agora, basta resolver a equação

\[y'(x) = \frac{K}{x}\]

para obter

\[y(x) = A \ln(x) + B\]

2.2 A equação sem y e sua primeira derivada

Exemplo: \(x y''' + y''=0\)

Tomando \(p(x)=y''(x)\), obtemos a EDOL com a ordem duas unidades a menos:

\[x p' + p = 0\]

Já vimos que \(p(x)=K/x\). Basta agora resolver a EDO:

\[y''(x) = \frac{K}{x}\]

2.3 A equação sem y e suas duas primeiras derivadas

Exemplo: \(x y^{(4)} - y^{(3)}= 0\)

Tomando \(p(x)=y'''(x)\), obtemos a EDO com a ordem três unidades a menos:

\[x p' - p = 0\]

Como \(p(x)=K/x\), basta resolver a EDO:

\[y''' = p(x)\]

2.4 A equação sem y e suas k-1 primeiras derivadas

Tomamos

\begin{align} p &= y^{(k)} \\ p'' &= y^{(k+1)} \\ p'' &= y^{(k+2)} \\ \cdots &= \cdots \\ p^{(n-2)} &= y^{(n)} \end{align}

para reduzir a EDO dada a uma outra equação de ordem \(n-k\) na variável dependente \(p\) e na variável índependente \(x\).

3 Equação sem a variável independente x

Tomamos \(p=y'\) para reduzir a ordem em \(1\) unidade e observar que em virtude da falta da variável \(x\), podemos pensar que \(p=p(y)\) e usando a regra da cadeia, podemos escrever:

\begin{align} y' &= \frac{dy}{dx} = p(y) \\ y'' &= \frac{dp}{dx} = \frac{dp}{dy} \frac{dy}{dx} = p'(y)\;y'(x) = p'(y)\; p(y) \\ y''' &= \frac{d(y'')}{dx} = \frac{d(y'')}{dy} \frac{dy}{dx} \end{align}

assim

\[y^{(3)} = \frac{d(p'(y).p(y))}{dy}\;y'(x) = p^2 p''(y) + p\;(p'(y))^2\]

Exemplo: \(y'' + (y')^2 = 2 \exp(-y)\)

Tomamos \(y'=p(y)\) e \(y''= p(y) p'(y)\), para obter:

\[p(y) p'(y) + p^2 = 2 \exp(-y)\]

Usamos a substituição \(z(y) = p^2(y)\):

\[2 p(y) p'(y) = dz/dy\]

para garantir que:

\[dz/dy + 2 z(y) = 4 \exp(-y)\]

Como esta é uma EDO linear, basta resolvê-la e voltar às variáveis originais.

4 EDO com uma função implícita homogênea

Consideremos \(F(y,y',...y^{(n)})=0\) onde \(F\) é uma função homogênea apenas nas variáveis \(y\), \(y',\cdots,\) \(y^{(n)}\). Reduzimos a ordem desta EDO com a substituição:

\[y = \exp(\int z(x)dx)\]

ou seja

\[\ln(y) = \int z(x)dx\]

onde \(z=z(x)\) é uma função a ser determinada.

Exemplo: \(x^2 y y'' -(y-xy')^2 = 0\)

A função seguinte

\[F(y,y',y'') = x^2 y y'' -(y-x y')^2\]

é homogênea de grau 2 nas variáveis \(y\), \(y'\) e \(y''\), pois

\begin{align} F(ty,ty',ty'') &= x^2 (ty)(ty'') -(ty-x ty')^2 \\ &= t^2[ x^2 yy'' -t^2(y-xy')^2 \\ &= t^2 F(y,y1,y'' \end{align}

Tomando \(y(x)=\exp(\int z(x)dx)\), obtemos:

\begin{align} y' &= z y \\ y'' &= (z' + z^2) y \end{align}

Substituindo as novas variáveis na EDO dada e simplificando, obtemos:

\[x^2 (z'+z^2) - (1-xz)^2 = 0\]

que também pode ser escrita na forma:

\[x^2 z' + 2x z = 1\]

Como a parte homogênea desta EDO linear é

\[x^2 z' + 2x z = 0\]

basta resolver a EDO

\[x z' + 2 z = 0\]

cuja solução é

\[z_h(x)= A x^{-2}\]

Supondo que \(A=A(x)\) no método da variação dos parâmetros, devemos obter uma função \(z_p=z_p(x)\) que seja uma solução particular para a EDO \(x^2 z' + 2x z = 1\).

Realmente, se \(z_p(x) = A(x) x^{-2}\), então

\[z'_p = A'(x) x^{-2} - 2A(x) x^{-3}\]

e substituindo estes dados na EDO \(x^2 z'+2xz=1\), obtemos

\[x^2 [A'(x)x^{-2}-2A(x) x^{-3}] + 2x [A(x) x^{-2}]= 1\]

assim

\[A'(x)=1\]

e uma solução particular para esta última EDO é

\[A(x)=x\]

Substituindo \(A(x)=x\) em \(z_p\), obtemos \(z_p(x) = A(x)x^{-2}=x^{-1}\). Assim, a solução da EDO linear \(x^2 z' + 2x z = 1\) é

\[z(x)=z_h(x)+ z_p(x)= Ax^{-2}+x^{-1}=\frac{A+x}{x^2}\]

Agora, devemos voltar às variáveis originais.