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Na Seção 3.1 introduzimos as propriedades fundamentais de EDOs lineares de segunda ordem com coeficientes constantes. Em particular, tratamos o caso em que a equação característica tem raízes reais distintas. Nesta seção, estudamos os casos em que a equação característica tem raízes complexas ou raízes duplas.
Consideramos
(3.73) |
cuja equação característica
(3.74) |
tem raízes complexas
(3.75) |
As soluções particulares associadas são
(3.76) | |||
(3.77) |
Da fórmula de Euler88endnote: 8Leonhard Euler, 1707-1783, matemático suíço. Fonte: Wikipedia., temos
(3.78) | ||||
(3.79) |
Ou seja, as soluções particulares podem ser reescritas da forma99endnote: 9Lembre-se que seno é uma função ímpar, i.e. .
(3.80) | |||
(3.81) |
Agora, se denotarmos
(3.82) |
temos
(3.83) |
Para concentrar a escrita, vamos denotar
(3.84) |
Substituindo na EDO, obtemos
(3.85) | ||||
(3.86) | ||||
(3.87) | ||||
(3.88) | ||||
(3.89) | ||||
(3.90) |
Ou seja,
(3.91) | ||||
(3.92) |
Desta forma, concluímos que e são soluções particulares da EDO (3.73). Ainda mais, pode-se mostrar que o wronskiano , i.e. e formam um conjunto fundamental de soluções. Do que vimos na Seção 3.1, concluímos que
(3.93) |
é solução geral de (3.73).
Vamos resolver
(3.94) |
Começamos identificando a equação característica associada
(3.95) |
Suas raízes são
(3.96) | ||||
(3.97) |
Logo, a solução geral é
(3.98) |
Consideremos um sistema massa-mola não amortecido e sem ação de força externa. Denotamos por a massa, a constante da mola. Desta forma, a lei de Newton do movimento nos fornece o seguinte modelo matemático
(3.99) |
onde é a posição da massa ( é a posição de repouso, a mola está esticada e a mola está contraída). Ou seja, trata-se de uma EDO de segunda ordem homogênea e com coeficientes constantes.
Supondo que, no tempo inicial , a massa está na posição inicial e velocidade , temos que a situação física é modelada pelo seguinte PVI
(3.100) | |||
(3.101) |
Como , temos que a equação característica associada têm raízes imaginárias
(3.102) |
Logo, a solução geral é
(3.103) |
Agora, aplicando as condições iniciais, obtemos
(3.104) |
Seja a equação
(3.105) |
cuja equação característica
(3.106) |
tem raiz dupla1010endnote: 10
(3.107) |
Neste caso, podemos verificar que
(3.108) |
é solução particular de (3.105).
Vamos usar o método de redução de ordem para encontrar uma segunda solução particular de (3.105), lembrando que o wronskiano deve ser não nulo. O método consiste em buscar por uma solução da forma
(3.109) | ||||
(3.110) |
Substituindo na EDO (3.105), obtemos
(3.111) | ||||
(3.112) | ||||
(3.113) | ||||
(3.114) | ||||
(3.115) | ||||
(3.116) | ||||
(3.117) |
Segue que
(3.118) | ||||
(3.119) |
Podemos escolher e arbitrariamente, desde que o wronskiano
(3.120) |
A escolha mais simples é e , donde segue que
(3.121) |
Concluímos que a solução geral de (3.105) é
(3.122) |
Vamos resolver
(3.123) |
Da equação característica
(3.124) |
obtemos a raiz dupla
(3.125) |
Logo, a solução geral da EDO é
(3.126) |
Resolva
(3.127) | |||
(3.128) |
Resolvendo a equação característica
(3.129) |
obtemos as raízes
(3.130) | ||||
(3.131) |
Logo, a solução geral é
(3.132) |
Por fim, aplicamos as condições iniciais
(3.133) | ||||
(3.134) |
e, observando que
(3.135) |
temos
(3.136) | ||||
(3.137) | ||||
(3.138) |
Concluímos que a solução do PVI é
(3.139) |
Resolva
(3.140) | |||
(3.141) |
Resolvemos a equação característica
(3.142) |
de modo que obtemos uma raiz dupla
(3.143) |
Logo, a solução geral da EDO é
(3.144) |
Agora, aplicamos as condições iniciais
(3.145) |
e, observando que
(3.146) |
(3.147) | ||||
(3.148) |
Concluímos que a solução do PVI é
(3.149) |
(Sistema massa-mola amortecido) Um sistema massa-mola amortecido sem força externa pode ser modelado pelo seguinte PVI
(3.150) | |||
(3.151) |
onde é a posição da massa ( posição de repouso, mola estendida, mola contraída), massa, coeficiente de resistência do meio, constante da mola, posição inicial e velocidade inicial da massa.
Mostre que quando , i.e. a massa tende ao repouso ao passar do tempo.
A equação característica associada é
(3.152) |
cujas raízes são
(3.153) |
Vejamos as seguintes possibilidades:
.
Como , temos que e, portanto, . Segue que . Se , a solução geral é
(3.154) |
Se , a solução geral é
(3.155) |
Em ambos os casos, quando , devido aos expoentes negativos.
.
Neste caso, a solução geral é
(3.156) |
Novamente, como seno e cosseno são funções limitadas, temos que o termo exponencial domina para . Ou seja, quando .
Encontre a solução geral de
(3.157) |
Resolva
(3.158) | |||
(3.159) |
Encontre a solução geral de
(3.160) |
Resolva
(3.161) | |||
(3.162) |
Mostre que o wronskiano de e é não nulo para qualquer .
Mostre que o wronskiano de e é não nulo para qualquer .
Aproveito para agradecer a todas/os que de forma assídua ou esporádica contribuem enviando correções, sugestões e críticas!
Este texto é disponibilizado nos termos da Licença Creative Commons Atribuição-CompartilhaIgual 4.0 Internacional. Ícones e elementos gráficos podem estar sujeitos a condições adicionais.
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Consideramos
(3.73) |
cuja equação característica
(3.74) |
tem raízes complexas
(3.75) |
As soluções particulares associadas são
(3.76) | |||
(3.77) |
Da fórmula de Euler88endnote: 8Leonhard Euler, 1707-1783, matemático suíço. Fonte: Wikipedia., temos
(3.78) | ||||
(3.79) |
Ou seja, as soluções particulares podem ser reescritas da forma99endnote: 9Lembre-se que seno é uma função ímpar, i.e. .
(3.80) | |||
(3.81) |
Agora, se denotarmos
(3.82) |
temos
(3.83) |
Para concentrar a escrita, vamos denotar
(3.84) |
Substituindo na EDO, obtemos
(3.85) | ||||
(3.86) | ||||
(3.87) | ||||
(3.88) | ||||
(3.89) | ||||
(3.90) |
Ou seja,
(3.91) | ||||
(3.92) |
Desta forma, concluímos que e são soluções particulares da EDO (3.73). Ainda mais, pode-se mostrar que o wronskiano , i.e. e formam um conjunto fundamental de soluções. Do que vimos na Seção 3.1, concluímos que
(3.93) |
é solução geral de (3.73).
Vamos resolver
(3.94) |
Começamos identificando a equação característica associada
(3.95) |
Suas raízes são
(3.96) | ||||
(3.97) |
Logo, a solução geral é
(3.98) |
Consideremos um sistema massa-mola não amortecido e sem ação de força externa. Denotamos por a massa, a constante da mola. Desta forma, a lei de Newton do movimento nos fornece o seguinte modelo matemático
(3.99) |
onde é a posição da massa ( é a posição de repouso, a mola está esticada e a mola está contraída). Ou seja, trata-se de uma EDO de segunda ordem homogênea e com coeficientes constantes.
Supondo que, no tempo inicial , a massa está na posição inicial e velocidade , temos que a situação física é modelada pelo seguinte PVI
(3.100) | |||
(3.101) |
Como , temos que a equação característica associada têm raízes imaginárias
(3.102) |
Logo, a solução geral é
(3.103) |
Agora, aplicando as condições iniciais, obtemos
(3.104) |
Seja a equação
(3.105) |
cuja equação característica
(3.106) |
tem raiz dupla1010endnote: 10
(3.107) |
Neste caso, podemos verificar que
(3.108) |
é solução particular de (3.105).
Vamos usar o método de redução de ordem para encontrar uma segunda solução particular de (3.105), lembrando que o wronskiano deve ser não nulo. O método consiste em buscar por uma solução da forma
(3.109) | ||||
(3.110) |
Substituindo na EDO (3.105), obtemos
(3.111) | ||||
(3.112) | ||||
(3.113) | ||||
(3.114) | ||||
(3.115) | ||||
(3.116) | ||||
(3.117) |
Segue que
(3.118) | ||||
(3.119) |
Podemos escolher e arbitrariamente, desde que o wronskiano
(3.120) |
A escolha mais simples é e , donde segue que
(3.121) |
Concluímos que a solução geral de (3.105) é
(3.122) |
Vamos resolver
(3.123) |
Da equação característica
(3.124) |
obtemos a raiz dupla
(3.125) |
Logo, a solução geral da EDO é
(3.126) |
Resolva
(3.127) | |||
(3.128) |
Resolvendo a equação característica
(3.129) |
obtemos as raízes
(3.130) | ||||
(3.131) |
Logo, a solução geral é
(3.132) |
Por fim, aplicamos as condições iniciais
(3.133) | ||||
(3.134) |
e, observando que
(3.135) |
temos
(3.136) | ||||
(3.137) | ||||
(3.138) |
Concluímos que a solução do PVI é
(3.139) |
Resolva
(3.140) | |||
(3.141) |
Resolvemos a equação característica
(3.142) |
de modo que obtemos uma raiz dupla
(3.143) |
Logo, a solução geral da EDO é
(3.144) |
Agora, aplicamos as condições iniciais
(3.145) |
e, observando que
(3.146) |
(3.147) | ||||
(3.148) |
Concluímos que a solução do PVI é
(3.149) |
(Sistema massa-mola amortecido) Um sistema massa-mola amortecido sem força externa pode ser modelado pelo seguinte PVI
(3.150) | |||
(3.151) |
onde é a posição da massa ( posição de repouso, mola estendida, mola contraída), massa, coeficiente de resistência do meio, constante da mola, posição inicial e velocidade inicial da massa.
Mostre que quando , i.e. a massa tende ao repouso ao passar do tempo.
A equação característica associada é
(3.152) |
cujas raízes são
(3.153) |
Vejamos as seguintes possibilidades:
.
Como , temos que e, portanto, . Segue que . Se , a solução geral é
(3.154) |
Se , a solução geral é
(3.155) |
Em ambos os casos, quando , devido aos expoentes negativos.
.
Neste caso, a solução geral é
(3.156) |
Novamente, como seno e cosseno são funções limitadas, temos que o termo exponencial domina para . Ou seja, quando .
Encontre a solução geral de
(3.157) |
Resolva
(3.158) | |||
(3.159) |
Encontre a solução geral de
(3.160) |
Resolva
(3.161) | |||
(3.162) |
Mostre que o wronskiano de e é não nulo para qualquer .
Mostre que o wronskiano de e é não nulo para qualquer .
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