Ecuaciones Diferenciales I – Videos: Ecuaciones lineales homogéneas de segundo orden con coeficientes constantes

Introducción

Al comienzo de la segunda unidad, revisamos las propiedades más importantes de las ecuaciones lineales homogéneas de segundo orden. En particular, vimos que para encontrar la solución general basta con encontrar dos soluciones particulares que sean linealmente independientes, y la combinación lineal de estas será la solución general a la ecuación.

Pondremos en práctica lo aprendido anteriormente para resolver ecuaciones lineales homogéneas de segundo orden con coeficientes constantes, es decir, de la forma $a\frac{d^{2}y}{dt^{2}}+b\frac{dy}{dt}+cy=0$, donde $a$, $b$ y $c$ son constantes y $a \neq 0$. Observaremos que las soluciones deben ser de la forma $e^{rt}$, y si hallamos los valores de $r$ que satisfagan la ecuación diferencial, entonces podremos encontrar la solución general.

Finalmente analizaremos tres distintos casos que se presentan cuando buscamos la solución general a la ecuación diferencial, los cuales dependen de la ecuación $ar^{2}+br+c=0$, que aparece durante el desarrollo de la solución. Por supuesto, estos casos dependerán de las raíces de dicha ecuación.

Ecuaciones lineales homogéneas de segundo orden con coeficientes constantes. Raíces reales diferentes

Analizamos cómo deben ser las soluciones a la ecuación $a\frac{d^{2}y}{dt^{2}}+b\frac{dy}{dt}+cy=0$, y suponiendo que $y_{0}(t)=e^{rt}$ es una solución, hallamos la solución general a la ecuación. En particular, revisamos el caso cuando las dos raíces de la ecuación $ar^{2}+br+c=0$ son reales y distintas, y resolvemos un ejemplo.

Raíces reales repetidas

En este video revisamos el caso cuando las dos raíces de la ecuación $ar^{2}+br+c=0$ son iguales, y resolvemos un ejemplo para mostrar lo desarrollado.

Raíces complejas

En el último video de esta entrada revisamos el caso cuando las dos raíces de la ecuación $ar^{2}+br+c=0$ son complejas, vemos que las soluciones complejas se comportan de manera similar a las soluciones con valores reales, y como buscamos soluciones reales, transformamos la solución compleja en una real.

Tarea moral

  • Resuelve el problema de valor inicial $\frac{d^{2}y}{dt^{2}}-6\frac{dy}{dt}+y=0$ ; $y(0)=1$, $\frac{dy}{dt}(0)=0$.
  • Prueba que $\{e^{rt}, te^{rt}\}$ es un conjunto linealmente independiente. Por tanto, para el caso cuando $ar^{2}+br+c=0$ tiene raíces repetidas, la solución general a la ecuación $a\frac{d^{2}y}{dt^{2}}+b\frac{dy}{dt}+cy=0$ efectivamente es la que se muestra en el video correspondiente.
  • Resuelve el problema de condición inicial $\frac{d^{2}y}{dt^{2}}+2\frac{dy}{dt}+y=0$ ; $y(0)=1$, $\frac{dy}{dt}(0)=0$.
  • Prueba que si $r_{1}=w + iz$ y $r_{2}=w – iz$, entonces $\{e^{r_{1}t}, e^{r_{2}t}\}$ es un conjunto linealmente independiente. Por tanto, para el caso cuando $ar^{2}+br+c=0$ tiene raíces complejas, la solución general a la ecuación $a\frac{d^{2}y}{dt^{2}}+b\frac{dy}{dt}+cy=0$ es la combinación lineal de estas dos funciones.
  • Prueba que $W[e^{wt}\cos{zt}, e^{wt}\sin{zt}]\neq 0$ para el caso del ejercicio anterior, y por tanto la combinación lineal de estas dos funciones es la solución general a la ecuación diferencial.
  • Resuelve el problema de condición inicial $\frac{d^{2}y}{dt^{2}}+\frac{dy}{dt}+2y=0$ ; $y(0)=1$, $\frac{dy}{dt}(0)=0$.

Más adelante

En la siguiente entrada comenzaremos a estudiar el caso no homogéneo de las ecuaciones lineales de segundo orden, es decir, ecuaciones de la forma $\frac{d^{2}y}{dt^{2}}+p(t)\frac{dy}{dt}+q(t)y=g(t)$ donde la función $g$ no es la constante cero.

En particular, resolveremos este tipo de ecuaciones por el método de variación de parámetros, que es análogo al método de variación de parámetros para resolver ecuaciones no lineales de primer orden.

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