Equações Diferenciais .Equações Diferenciais SUMÁRIO Volume 2 - Módulos 2 e 3 Aula 11 – Equações

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  • Pedro do Nascimento NobregaVolume 2 - Mdulos 2 e 32 edio

    Equaes Diferenciais

    Apoio:

  • Material Didtico

    2010/1

    ELABORAO DE CONTEDOPedro do Nascimento Nobrega

    COORDENAO DE DESENVOLVIMENTO INSTRUCIONALCristine Costa Barreto

    DESENVOLVIMENTO INSTRUCIONAL E REVISO Anna Maria OsborneAna Tereza de AndradeJane CastellaniLeonardo VillelaNilce P. Rangel Del Rio

    COORDENAO DE AVALIAO DO MATERIAL DIDTICODbora Barreiros

    AVALIAO DO MATERIAL DIDTICOLetcia Calhau

    EDITORATereza Queiroz

    REVISO TIPOGRFICAEquipe Cederj

    COORDENAO DE PRODUOJorge Moura

    PROGRAMAO VISUALMarcelo Freitas

    CAPAMorvan de Araujo Neto

    PRODUO GRFICAOsias FerrazPatricia Seabra

    Departamento de Produo

    Material Didtico

    Referncias Bibliogrfi cas e catalogao na fonte, de acordo com as normas da ABNT e AACR2.

    Copyright 2005, Fundao Cecierj / Consrcio Cederj

    Nenhuma parte deste material poder ser reproduzida, transmitida e gravada, por qualquer meio eletrnico, mecnico, por fotocpia e outros, sem a prvia autorizao, por escrito, da Fundao.

    N754e Nobrega, Pedro do Nascimento.

    Equaes Diferenciais. v. 2 - 2. ed. / Pedro do Nascimento Nobrega. Rio de Janeiro: Fundao CECIERJ, 2010. 281p.; 21 x 29,7 cm.

    ISBN: 978-85-7648-670-1

    1. Equaes diferenciais lineares. 2. Sistemas de equaes diferenciais. 3. Sistemas autnomos. I. Ttulo.

    CDD: 515.35

    Fundao Cecierj / Consrcio CederjRua Visconde de Niteri, 1364 Mangueira Rio de Janeiro, RJ CEP 20943-001

    Tel.: (21) 2334-1569 Fax: (21) 2568-0725

    PresidenteMasako Oya Masuda

    Vice-presidenteMirian Crapez

    Coordenao do Curso de MatemticaUFF - Regina Moreth

    UNIRIO - Luiz Pedro San Gil Jutuca

  • Universidades Consorciadas

    Governo do Estado do Rio de Janeiro

    Secretrio de Estado de Cincia e Tecnologia

    Governador

    Alexandre Cardoso

    Srgio Cabral Filho

    UENF - UNIVERSIDADE ESTADUAL DO NORTE FLUMINENSE DARCY RIBEIROReitor: Almy Junior Cordeiro de Carvalho

    UERJ - UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIROReitor: Ricardo Vieiralves

    UNIRIO - UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESTADO DO RIO DE JANEIROReitora: Malvina Tania Tuttman

    UFRRJ - UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO RIO DE JANEIROReitor: Ricardo Motta Miranda

    UFRJ - UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIROReitor: Alosio Teixeira

    UFF - UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSEReitor: Roberto de Souza Salles

  • Equaes Diferenciais

    SUMRIO

    Volume 2 - Mdulos 2 e 3

    Aula 11 Equaes diferenciais lineares de ordem superior _______________125

    Aula 12 Solues de equaes diferenciais lineares de ordem superior ______143

    Aula 13 Equaes diferenciais lineares homogneas de segunda ordem _____167

    Aula 14 Equaes no-homogneas de segunda ordem_________________181

    Aula 15 Aplicao de equaes diferenciais lineares de segunda ordem _____195

    Aula 16 Sistemas de equaes diferenciais lineares de primeira ordem. Autovalores reias distintos _________________________________211

    Aula 17 Representao geomtrica de sistemas autnomos. Sistemas com autovalores complexos ________________________235

    Aula 18 Sistemas com autovalores reias repetidos _____________________253

    Aula 19 Sistemas no-homogneos ________________________________271

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  • Equacoes diferenciais lineares de ordem superior

    MODULO 2 - AULA 11

    Aula 11 Equacoes diferenciais lineares de

    ordem superior

    Objetivos

    Depois de estudar esta aula voce sera capaz de

    1. Definir os espacos vetorias de funcoes n-vezes continuamente diferenci-

    aveis em intervalos I da reta.

    2. Definir as equacoes diferenciais lineares por meio de operadores lineares

    entre espacos Cn(I)

    S2 ! 2cos[(7/2)(2x 1)]S1 ! sen[(5/2)x]

    3S1 + 2S2 ! 3sen[(5/2)x] 4cos[(7/2)(2x 1)]

    125CEDERJ

  • EQUACOESDIFERENCIAIS Equacoes diferenciais lineares de ordem superior

    Introducao

    Nota Historica

    O seculo XVIII foi uma era de intenso de-

    senvolvimento da teoria de equacoes di-

    ferenciais. Praticamente todos os ma-

    tematicos de destaque testaram suas habi-

    lidades em integrar (i.e resolver) equacoes

    diferenciais. Um grande numero dos

    metodos elementares de integracao de

    equacoes diferenciais, que constituem a

    parte inicial de todos os cursos univer-

    sitarios sobre o assunto (de que, alias,

    nosso curso nao foi excecao) foi esta-

    belecido pelos matematicos do seculo

    XVIII. Classes inteiras de equacoes e

    metodos de resolucao foram estudados pe-

    los maiores matematicos de entao: Clai-

    raut, DAlembert, Laplace, Monge, La-

    grange, e, naturalmente, Euler. Em

    particular, grandes sucessos foram al-

    cancados no estudo de equacoes line-

    ares, que tem merecido atencao es-

    pecial desde aquele tempo devido a

    sua grande ocorrencia nas aplicacoes.

    L.A.Cauchy

    O trabalho do ma-

    tematico frances

    Augustin Cauchy, no

    incio do seculo XIX,

    inaugurou uma nova

    etapa na teoria de

    equacoes diferenciais.

    O conceito central da

    teoria, antes de Cauchy, era o de solucao

    geral de uma dada equacao.

    Uma vez obtida uma solucao geral, as

    diversas solucoes particulares eram obti-

    das pela atribuicao de valores especficos

    as constantes. Nessa linha, o problema

    basico era o de achar a solucao geral

    de uma dada equacao. Procurava-se,

    via de regra, uma solucao por quadra-

    turas, isto e , uma solucao dada por

    uma formula contendo somente funcoes

    elementares (polinomios, trigonometricas,

    exponencial, e suas inversas) numa com-

    binacao finita, construda por meio de

    operacoes algebricas e integracoes. Cau-

    chy inverteu essa perspectiva completa-

    mente, determinando uma nova direcao

    principal de desenvolvimento da teoria de

    equacoes da forma dy/dx = f(x, y).

    Para ele, o conceito basico era o de solucao

    particular de uma tal equacao, a qual

    assumia um valor prescrito num ponto

    pre-fixado . O conhecimento de uma tal

    solucao particular nos possibilita obter a

    solucao geral. A questao mais impor-

    tante passava a ser a da existencia de uma

    solucao particular; o que ficou conhecido

    como problema de Cauchy.

    Uma de nossas metas a partir de agora e entender claramente essa in-

    versao de direcao do Cauchy, ou seja como construir uma nocao de solucao

    geral de uma equacao diferencial partindo do conhecimento de solucoes par-

    ticulares. So que a partir de agora agora estaremos restritos as equacoes

    lineares.

    CEDERJ 126

  • Equacoes diferenciais lineares de ordem superior

    MODULO 2 - AULA 11

    Os fenomenos lineares sao tao importantes que merecem uma discussao

    mais demorada. Eles vao ocupar todo o restante do nosso curso. Para

    adquirir adquirir um pouco mais de familiaridade com a nocao de linea-

    ridade,comecemos examinando o princpio de superposicao de fenomenos

    fsicos.

    A nocao matematica de linearidade, de certa forma, emerge de um

    princpio de superposicao de causas e efeitos, que governa o relacionamento

    Um satelite artificial pode

    medir, por exemplo, tempe-

    ratura e radiacao - os sinais

    de entrada-,e codificar esta

    informacao em um sinal de

    radio de alta frequencia (a

    sada)

    de diversos sinais e sistemas do mundo fsico.

    Sinais e Sistemas

    Sinais fazem parte de nossa vida cotidiana de uma maneira indispensavel. Para dar

    um exemplo, a forma mais basica de comunicacao humana se desenvolve atraves do uso de

    sinais de fala. Seja por conversacao cara a cara, por telefone, ou via computador. Outra

    forma de interacao entre pessoas, ou do homem com o mundo e por meio de sinais visuais,

    imagens de pessoas ou objetos.

    O correio eletronico e a Internet sao poderosos transportadores de sinais de um

    ponto a outro.

    Ao ouvir os batimentos cardacos de um paciente, ou examinar visualmente um

    eletrocardiograma, o medico interpreta sinais de som, sinais graficos, que lhe transmitem

    informacoes sobre o estado de saude do paciente.

    E os exemplos se multiplicam. As ilustracoes desta pagina mostram dois sistemas

    de comunicacoes altamente sofisticados.

    Um sinal, como o proprio nome indica, e um conjunto de informacoes ou dados.

    Do ponto de vista matematico, um sinal e uma funcao que representa uma quanti-

    dade ou variavel fsica e contem informacoes sobre o comportamento ou natureza de um

    fenomeno. Os sinais sonoros, por exemplo, sao traduzidos em ondas que se propagam

    atraves de um meio, emitidas por uma fonte e recebidas por um sistema capaz de extrair

    informacoes dessas ondas. As ondas sonoras sao funcoes matematicas da posicao e do

    tempo.

    Ha sempre um sistema associado a geracao de cada sinal, e outro associado a ex-

    tracao da informacao transmitida pelo sinal. Na comunicacao por telefone, por exemplo,

    uma fonte sonora emite os sinais de fala, que se propagam na forma de ondas de pressao

    no ar. Essas ondas sao convertidas por meio de um sistema razoavelmente complexo, em

    sinais eletricos, que sao transmitidos por uma rede de telefonia ate o sistema receptor, que

    os reconverte sinais de pressao no ar, identificaveis pelo ouvinte