Bien, vamos a ver hoy el tema 5, ecuaciones diferenciales lineales de orden superior. Bien, en el tema anterior ya vimos una ecuación diferencial lineal de primer orden. En ese tema pues vamos a generalizar ese tipo de ecuaciones y bueno, vamos a ver ya ecuaciones diferenciales lineales de cualquier orden. Una ecuación diferencial lineal de orden n pues es esta forma, esta forma de aquí, donde aparece una combinación lineal con coeficientes que son funciones de x, de las funciones y de sus sucesivas derivadas hasta el orden n. Es decir, a sub n de x es una función de x por... la derivada enésima de y, más a sub n-1 de x por la derivada de orden n-1 de y, etc. más a sub 2 de x por la segunda derivada de y, más a sub 1 de x por y' más a sub 0 de x por y, que es nuestra función incógnita, igual a la otra función b de x. Eso sería una ecuación lineal porque la función y y sus derivadas no están elevadas a ningún exponente, bueno, están elevadas a la unidad. infinito, es un espacio vectorial precisamente de dimensión n, que es el orden de la derivada de mayor orden. Entonces, bueno, ¿qué es lo que tendremos que hacer pues para hallar la solución general, la solución general de una ecuación de este tipo? Pues simplemente puesto que el conjunto de todas las soluciones es un espacio vectorial, nos bastará con encontrar una base de ese espacio vectorial, es decir, n soluciones que sean linealmente independientes, ya que el espacio vectorial es de dimensión n. N soluciones linealmente independientes formarán una base. Entonces cualquier solución será combinación lineal de las funciones que constituyan esa base. Por tanto, si i sub 1, i sub 2, etc., i sub n son n soluciones linealmente independientes, entonces la solución general de una ecuación de la base tendrá esta forma, es una combinación lineal de las funciones de la base. Bien, también se puede comprobar que una función de la forma e elevado a lambda x es solución de este tipo de ecuaciones diferenciales lineales si se cumple esta condición que hay aquí, es decir, si lambda... Es precisamente raíz de este polinomio, el polinomio que ponemos con los coeficientes de la ecuación diferencial, a sub n por t elevado a n, más a sub n menos 1 por t elevado a n menos 1, etc., más a sub 2 por t al cuadrado, más a sub 1 por t, más a sub 0, es un polinomio. Entonces si lambda, el lambda es una raíz de este polinomio, es decir, lo anula, sustituyendo la t por lambda da cero, en ese caso e elevado a lambda x es solución. Bueno, es que si e elevado a lambda x es solución es muy simple de comprobar, basta con sustituir e elevado a lambda x en la ecuación diferencial. Entonces, al hallar las derivadas, por ejemplo, la derivada enésima de e elevado a lambda x es lambda elevado a n por e elevado a lambda x. La derivada de orden n menos 1 sería lambda elevado a n menos 1 por e elevado a lambda x, etc., ¿no? Y la primera derivada sería lambda por e elevado a lambda x. Entonces, al sustituirlos e elevado a lambda x, factor común y como es distinto de cero, pues lo podemos cancelar y entonces nos queda precisamente la ecuación que tenemos aquí, ¿eh? La sub n por lambda elevado a n, etc., ¿no? Bien, ya digo, eso es la demostración, por tanto, es muy simple, ¿no? Así es que nosotros para hallar las soluciones, o sea, para hallar un conjunto de soluciones de la ecuación diferencial, lo que tendremos que hacer será resolver o hallar las raíces de este polinomio que hemos dicho aquí, ¿no? Y entonces se pueden presentar los siguientes casos según el tipo de raíces que tenga ese polinomio. En primer lugar, si lambda sub 1 y lambda sub 2 son dos raíces reales, simples y distintas, entonces las funciones e elevado a lambda sub 1 x y e elevado a lambda sub 2 x son soluciones linealmente independientes. Por tanto, ya tenemos una manera de obtener la solución linealmente independiente siempre que las raíces del polinomio característico sean reales y distintas. Por ejemplo, aquí tenemos una ecuación diferencial lineal de segundo orden, homogénea, y segunda, menos i prima, menos 6i igual a cero. Su polinomio característico es t al cuadrado menos t menos 6. Calculamos sus raíces. Es decir, resolvemos la ecuación que resulta de igual a cero y obtenemos los dos números reales menos 2 y 3, que son raíces simples y distintas. Por tanto, la solución de la ecuación es simplemente, ya se coloca, es esta de aquí, es una combinación lineal de las dos soluciones linealmente independientes que serían e elevado a menos 2x y e elevado a 3x. La sola solución sería i igual a c sub 1 por elevado a menos 2x más c sub 2 por e elevado a menos 2x. Otro caso que se nos puede presentar es que lambda sea raíz múltiple de grado r. En ese caso, también se puede comprobar, fácilmente además, que las r funciones e elevado a lambda x, x por e elevado a lambda x, x cuadrado por e elevado a lambda x, etcétera, x elevado a r menos 1 por e elevado a lambda x, son soluciones linealmente independientes. Vamos a verlo. Tenemos la ecuación y segunda, menos 10i prima más 25i igual a 0. Su polinomio característico es t al cuadrado menos 10t más 25. Hallamos sus raíces y observamos que tenemos una raíz del 5, tenemos solamente la raíz del 5 que es doble de una raíz del 5. Por lo tanto, las dos soluciones linealmente independientes que constituirán una base, por lo tanto, serían x por e elevado a 5x y x por e elevado a 5x. Es que la solución general de la ecuación sería igual a c sub 1 por e elevado a 5x más c sub 2 por x por e elevado a 5x. Otro caso que se nos puede presentar es que a más menos bi sean un par de raíces complejas conjugadas simples. Las raíces complejas, si aparecen, siempre van por parejas. Aparece una raíz compleja y su conjuga. Entonces, prueba que e elevado a ax por el coseno de bx y e elevado a ax por el seno de bx son soluciones linealmente independientes. Bien, vamos a ver un ejemplo. Aquí tenemos la ecuación y segunda menos 2i prima más 2i igual a 0. Su polinomio característico es t al cuadrado menos 2t más 2. Calculamos sus raíces, es decir, resolvemos la ecuación al igualarlo a 0 y obtenemos, nos salen 1 más menos i. Ahí tenemos las dos soluciones complejas conjugadas. Bien, por lo tanto, simplemente hay que escribir las dos soluciones linealmente independientes que serían e elevado a x por el coseno de x, puesto que la i tiene un dividiente 1 y el a es 1 también. Y la otra sería e elevado a x por el seno de x. Por lo tanto, la solución general sería igual a e elevado a x, lo podemos sacar factor común, de c sub 1 coseno de x más c sub 2 por el seno de x. Bien, en el libro se puede ver la demostración de por qué cuando las raíces complejas son del tipo a más menos de i, pues precisamente las funciones finalmente independientes son e elevado a x coseno de bx. Bien, si otro caso, si a más menos de i son un par de raíces complejas conjugadas, en este caso ya son múltiples, de grado de r, bueno, pues entonces también se demuestra que e elevado a x coseno de bx elevado a x seno de bx, x por e elevado a x coseno de bx, x por e elevado a x seno de bx, etcétera, hasta x elevado a r menos 1 por e elevado a x seno de bx, ahí tenemos r soluciones linealmente independientes. Por ejemplo, aquí tenemos una ecuación que es i cuarta más 2 i segunda más i igual a 0, su polinomio característico es t4 más 2t2 más 1, al igualarlo a 0 tenemos una ecuación bicuadrada. Aquí tenemos, y nos aparecen las raíces más menos i pero dobles. Bien, entonces simplemente hay que aplicar lo que indica aquí arriba, la solución general sería i igual a c sub 1 por el coseno de x más c sub 2 por el seno de x, teniendo en cuenta que aquí como la a es 0, la parte real de la solución es 0, el e elevado a x es 1. Por eso no aparece aquí, sería, repito, i igual a c sub 1 por seno de x más c sub 2 seno de x más c sub 3 por x por coseno de x y más c sub 4 por x por el seno de x. Bien, bueno, pues ya tenemos todos los casos posibles que se nos pueden presentar en una ecuación como gt. Ahora vamos a resolver la ecuación completa, es decir, cuando el término independiente ya no es 0, es una función. Entonces, se demuestra también que si i sub h es la solución general de la ecuación homogénea, que esa ya la sabemos obtener, y sub c es una solución particular en la ecuación completa, que ahora veremos cómo la podemos calcular, entonces la suma i sub h más i sub c es precisamente la solución general de la ecuación completa. Por lo tanto, bueno, pues ya sabemos. La solución general de la ecuación homogénea, vamos a ver las distintas posibilidades para obtener la solución particular de la ecuación completa. Eso depende entonces de la forma del término independiente de b de x. Por ejemplo, si la forma de b de x, el término independiente es un polinomio, p sub n de x es un polinomio de grado n, entonces si ese polinomio tiene un término independiente distinto de 0. Es decir, que el 0 no es raíz, no se puede sacar la x, factor común. Pues en ese caso, o sea, si el 0 no es raíz, en ese caso nosotros colocaríamos como solución particular de la ecuación completa un polinomio del mismo grado, que aquí le llamamos p asterisco sub n de x, un polinomio del mismo grado que el término independiente, pero con coeficientes indeterminados, que vamos a tener que calcular. Los calcularemos sustituyendo ese p asterisco sub n de x en la ecuación, pues lo que estamos suponiendo que se trata de una solución, y entonces hacemos las derivadas sucesivas que correspondan, se va sustituyendo y se obtiene generalmente un sistema donde calcularíamos los coeficientes indeterminados y ya tenemos la solución particular. Buscado. Bien, en el caso de que 0 sí que sea raíz del término independiente, del p sub n de x, con orden de multiplicidad s, es decir, se puede sacar x elevado a s, factor común del término independiente. Bueno, pues en ese caso nosotros lo que haríamos sería colocar un polinomio a coeficientes indeterminados de grado n, o sea, el p asterisco sub n de x, pero multiplicado por x elevado a s. Y actuaríamos. Y actuaríamos de la misma forma. Hay que ir luego obteniendo las derivadas sucesivas, sustituyendo la ecuación, etcétera, ¿no? Para calcular los coeficientes. Bien. Si el término independiente, el p de x, es algo de la forma polinomio multiplicado por exponencial, de la forma e elevado a x, entonces tenemos también dos casos, ¿no? Si a no es una raíz del polinomio característico, es decir, que el e elevado a x es una raíz de la forma e elevado a x, no aparecía como una solución, de la ecuación homogénea, bueno, pues en ese caso ensayaremos una expresión de la manera, de la forma e elevado a x por p asterisco sub n de x, donde p asterisco sub n de x es el polinomio de grado n y coeficientes interminables. Ahora bien, si a sí que fuese raíz del... O sea, de la ecuación del polinomio característico con orden de multiplicidad s, bueno, pues entonces el polinomio, o sea, la función que tendríamos que ensayar sería de la forma x elevado a s por e elevado a a x y por p asterisco sub n de x, ¿eh? Que es el polinomio con coeficientes interminables. Bien, ahora, si el término independiente, el p de x, fuese de la forma p sub n de x, por el seno de beta x, más q sub m de x por el coseno de beta x, es decir, p sub n y q sub m, dos funciones, dos polinomios, mejor dicho, perdón, dos polinomios, por seno y por el coseno, efectivamente, con el mismo ángulo beta de x. Bueno, pues entonces también tenemos dos casos, si más menos i beta no son raíces del polinomio característico, pues entonces lo que ensayaremos será... una expresión de la misma forma del término independiente, ¿eh? p asterisco sub k de x por el seno de beta x más q asterisco sub k de x por el coseno de beta x, donde k es el máximo valor de m o de n, ¿eh? Porque aquí hemos puesto p sub m, polinomio de grado n, y q sub m, polinomio de grado m, porque que sea mayor, esa sería la k, ¿no? Y ahora si más menos i beta son raíces con orden de multiplicidad s, bueno, pues lo mismo que hemos hecho hasta ahora es multiplicar entonces lo mismo. De antes, pero por x elevado a s. Y, bueno, finalmente, si el término independiente es ya del tipo, igual que el caso anterior, pero multiplicado por e elevado a x, pues tenemos, que sería el caso general, ¿no? Raíces complejas, ¿no? Bueno, pues si alfa o a más menos i beta no son raíces, pues entonces ensayaremos una expresión de la misma forma, ¿eh? Que tomaremos el polinomio de grado k, siendo k el valor mayor de entre n y m, y si a más menos i beta son raíces con multiplicidad s, pues lo mismo que hemos hecho en los casos anteriores, lo mismo pero multiplicando por x elevado a s. Bien. Bueno, pues vamos entonces a ver algunos ejemplos, ¿no? Vamos a ver ejercicios propuestos en exámenes y ya podríamos decir que ya hemos visto ya todas las posibilidades, ¿no? Entonces, bueno, primer ejercicio, pues resolver esta ecuación diferencial y prima igual a x más i. Bueno, esta evidentemente es una ecuación diferencial lineal de primer orden. Esta la podríamos hacer como la resolvíamos en el tema anterior, ¿eh? Hacíamos el cambio de variable i igual a 1 por v, pero bueno, aquí lo vamos a hacer con este procedimiento que hemos visto, ¿no? Su polinomio característico, bueno, la escribimos, pasamos la i al primer miembro, dejamos la x en el segundo miembro. El término independiente es el b de x, ¿no? Entonces, el polinomio característico sería t menos 1, de primer grado, claro. Entonces, t menos 1, la raíz que tiene es el 1, ¿eh? Por lo tanto, la solución de la ecuación homogénea sería i sub 1 igual a g por e elevado a x, ¿no? Ahora, pues porque esta ecuación es completa, ¿eh? Porque tiene un término independiente que no es 0. Una solución particular. Una solución particular de la ecuación completa será de la forma, bueno, el término independiente ¿de qué forma es? Es un polinomio ¿de qué grado? De primer grado, ¿no? Pues nosotros lo que hacemos es colocar un polinomio a coeficientes indeterminados de primer grado también. Por supuesto, tenemos que poner un término independiente y si tiene que ser 0 ya nos saldrá, ¿no? Bien, pues llamaremos i sub 2 igual a x más b. Entonces, ¿qué haremos? Pues derivamos. Entonces, i prima sub 2 sale a y sustituimos en la ecuación. i prima, por lo tanto sería a igual a, o sea, a menos, menos i que sería menos a por x menos b igual a x, ¿no? Entonces, resolviendo, tenemos una igualdad de polinomios. Entonces, identificando los coeficientes, ¿eh? Coeficiente de primer grado igual a coeficiente de primer grado y coeficiente, término independiente igual a término independiente, bueno, pues despejamos a y b y ocurre que sale en el mismo valor a igual a b igual a menos 1. Por tanto, la solución general de la ecuación propuesta es simplemente sumar la solución general de la homogénea más la particular de la completa y sería c por elevado de x menos x menos 1. Bueno, otro... Otro ejemplo, ¿no? Aquí tenemos una ecuación. Esta es lineal de segundo orden y esta es homogénea, ¿no? Segunda menos 3i prima más 2i igual a 0. Bueno, el polinomio característico es t cuadrado menos 3t más 2. Calculamos sus raíces, ¿eh? Entonces, vemos la ecuación de segundo grado y obtenemos que son el 1 y el 2. Son raíces distintas, reales. Por tanto... La solución general de la ecuación ya es directa, ¿no? Es igual a t sub 1 por e elevado a x más t sub 2 por e elevado a 2x. Otro ejercicio. Aquí tenemos una ecuación que esta ya no es homogénea y segunda más i prima menos 2i igual a 3 por e elevado a x. Bueno, pues esto ya vamos haciendo simplemente el polinomio característico. T cuadrado más t menos 2. Calculamos sus raíces, que son 1 y menos 2i. Son reales y distintas. Por tanto, ya tenemos la solución general de la ecuación homogénea que es del tipo c sub 1 por e elevado a x más t sub 2 por e elevado a menos 2x. Claro, puesto que e elevado a x es una de las soluciones independientemente independientes que hemos obtenido para formar la solución general de la homogénea y el término independiente contiene precisamente el e elevado a x. Es 3 por e elevado a x. Pues entonces, como solución particular de la ecuación completa, tenemos que multiplicar por x. O sea, no podemos poner una función del mismo tipo que el término independiente puesto que el e elevado a x era una solución de la ecuación. O sea, el 1 era la solución de la ecuación característica. Por tanto, la solución que tenemos que ensayar es que multiplicar por x sería del tipo a por x por e elevado a x. Entonces, ¿qué es lo que se puede hacer? Y lo que haremos es derivar esto y prima y segunda. Y entonces, bueno, hacemos las sustituciones, identificamos coeficientes. O sea, aquí tenemos que como esto que es una ecuación es una igualdad, al sustituir la y y sus derivadas en el primer miembro, bueno, nos va a salir una expresión con e elevado a x que vamos a simplificar con el e elevado a x del segundo miembro. Y entonces nos va a quedar una identidad en el primer miembro igualada. Entonces, lo que tenemos que hacer es identificar coeficientes. Por ejemplo, si nos sale el coeficiente de primer grado, pues con el segundo miembro hay un 3 que no hay primer grado, sería igual a 0. Y coeficiente y término independiente sería igual a 3. Entonces, de ahí, bueno, en este caso solamente tenemos una incógnita que es a igual a 1. Y entonces la solución de la ecuación sería c sub 1 por e elevado a x más c sub 2 por e elevado a menos 2x más x por e elevado a x. Bueno, bien, veamos otra ecuación. Esta es homogénea y tercera más 2i segunda más i igual a 0. Bueno, aquí el polinomio característico es t al cubo más 2t cuadrado más 1. Bien, aquí, claro, este ejercicio intentamos resolverlo. En realidad, bueno, no suelen aparecer ejercicios de este tipo. Pues creo que... Bueno, suelen estar preparados y suelen tener raíces. En este caso es que no admite raíces racionales. Nosotros probamos, o sea, en este polinomio, t al cubo más 2t cuadrado más 1, puesto que el coeficiente de t al cubo es 1, las raíces racionales que pudiera tener tienen que ser enteras, ¿no? Y enteras tienen que ser divisores del término independiente, que es un 1. O sea, que entonces las únicas soluciones racionales que le cabría... que es el posible de tener serían el 1 y el menos 1, y ninguna es, ¿eh? Es decir, que no es ninguno y el menos 1. Si por ejemplo aquí en vez de ser más 1 fuese menos 1, eso sería muy diferente, ¿no? Pero bueno, tal y como está, no admite raíces racionales, entonces yo, vamos, creo, este es un ejercicio que propuesto en un examen, bueno, no sé, probablemente querrían poner el menos 1 en vez del más 1, pero bueno, ahí está puesto, ¿no? Entonces... Entonces, claro, lo que sí que tiene es una raíz real, eso es seguro, ¿eh? Y racional en el intervalo de menos 3 menos 2. Bueno, esto, si sustituimos t igual a menos 3 y sustituimos t igual a menos 2, da de distinto signo, puesto que se trata de una función continua, quiere decir que ahí hay más raíz. Es decir, que en ese intervalo hay más raíz. Pero bueno, esto, ya digo, esto se sale un poco de lo que es, bueno, es un contratiempo que nos encontramos con esta ecuación, tanto ya digo. Y seguramente es que... Pero bueno, nosotros por la cerda y no, ¿eh? Ya que es de un examen, pues bueno, se mete uno en ella. Entonces ahí, ya digo, estamos seguros que hay una raíz real, no sabemos cuál es, llamémosle alfa, ¿eh? No tenemos procedimientos para calcularla, ¿eh? No tenemos procedimientos. Y luego las otras dos son raíces complejas conjugadas porque es que no hay más raíces reales, ¿eh? Porque esta función es ya creciente, en rotona creciente, y por lo tanto... Tiene... No vuelve a cortar al eje, ¿eh? Por lo tanto no tiene más que esa raíz alfa que no podemos calcular. Así que tiene dos raíces complejas conjugadas, que serían del tipo a más menos bi. Bueno, aquí explica un poco por qué, o sea, que si hacemos la representación o analizamos la representación gráfica, bueno, vemos que no vuelve, ¿eh? No vuelve a cortar al eje más que entre el menos tres y el menos cuatro. Bueno, ya digo, esto se sale un poco de lo que es, ¿eh? Quizás... Quizás por eso. Simplemente por haber cambiado este más por un menos, estaba... Era algo más sencillo, en plan... O sea que la solución general, en este caso, pues tendrá esta forma. Pero claro, ni podemos hallar el a, ni podemos hallarse hallar el b, ¿eh? Bueno, esto lo he hecho porque... Bueno, porque salió en un examen, ¿eh? Sin embargo... Bien, tenemos otro ejercicio, ¿no? Aquí tenemos... Nos dan dos valores iniciales. Los valores de la función incógnita en el punto cero nos dicen lo que vale, lo cual nos va a permitir calcular las constantes, ¿no? Y entonces la ecuación es homogénea y es esta i segunda más dos raio de dos i prima más dos i igual a cero. Entonces la ecuación característica t cuadrado más dos raio de dos t más dos igual a cero. Resolvemos la ecuación y nos aparece la solución menos raio de dos doble. Por tanto, la solución general de la ecuación sería i igual a c sub uno por elevado a menos raio de dos x más c sub dos x por elevado a menos raio de dos x. Bien. Bueno, pues ahora vamos a sustituir el valor de las condiciones iniciales para calcular las dos constantes. Entonces simplemente derivamos y tenemos, bueno, la derivada de esta... La solución sería menos raio de dos por c sub uno por elevado a menos raio de dos x más c sub dos. Y aquí tenemos un producto, ¿no? Derivamos primero la x por el segundo sin derivar, o sea, c sub dos por e elevado a menos raio de dos x y luego derivamos el segundo, o sea, menos raio de dos c sub dos x por e elevado a menos raio de dos x y para x igual a cero, es decir, que i prima de cero vale tres, de acuerdo con los datos, ¿no? Para x igual a cero, pues aquí sustituimos, ¿eh? x igual a cero nos aparece menos raio de dos c sub uno más c sub dos que será igual a tres y también la función, el valor de la función, sustituimos la x por cero y nos aparece c sub uno, ¿eh? Sustituir el c sub dos por x y por e elevado a menos raio de dos x nos da cero, claro. Con lo cual tenemos este sistema de aquí y de ahí tenemos el c sub uno y el c sub dos. Raio de dos y el c sub dos sale cinco. Por lo tanto, la solución particular tenida, pues es esta de aquí, ¿eh? Sustituir las constantes. Bien, otro ejercicio. Obtener la solución general de la ecuación diferencial. Bueno, esta es una no homogénea. Tenemos i segunda menos i prima menos dos i igual a cuatro x al cuadrado. Primeramente vamos a resolverlo homogéneo, el polinomio característico lambda cuadrado menos lambda menos dos que son dos i menos uno. Entonces la solución general de la homogénea sería c sub uno por e elevado a dos x más c sub dos por e elevado a menos x y una solución particular de la ecuación completa puesto que el término independiente es un polinomio de segundo grado pues la solución particular de la completa será del mismo tipo, será un polinomio de segundo grado con coeficientes indeterminados, igual a x al cuadrado más bx más c. Bien, pues entonces derivamos, hay que obtener hasta la segunda derivada, la primera derivada sería dos ax más b y la segunda derivada que sería dos a. Sustituimos en la ecuación y obtenemos pues esta expresión que es igual a cuatro x al cuadrado y aquí ya digo identificando coeficientes, esto se hace identificando el primer término de esta ecuación es un polinomio de segundo grado que el coeficiente de la x al cuadrado en el primer membro es menos dos a o menos dos a quiere ser cuatro, el coeficiente de primer grado que sería menos dos a menos dos b tiene que ser cero puesto que en el segundo membro no hay término de primer grado y el término independiente que sería dos a menos b menos dos c que tiene que ser cero porque en el segundo miembro no hay término independiente. Bueno, se resuelve este sistema y entonces se obtiene esta solución por lo tanto la solución es esta. Bien. Bueno, en realidad están resueltos anteriormente todos los ejercicios de ecuaciones lineales que se han aparecido en los exámenes. Bueno, pues por poner unos cuantos ejemplos hay aquí unos cuantos ejercicios resueltos son también de este estilo como están resueltos y se pueden bajar de la carpeta esta ya los dejo para que se vayan practicando. Bien, y ya los vamos a dejar aquí.