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Nesta seção, discutimos sobre um método de solução para sistemas de EDOs de primeira ordem, lineares, com coeficientes constantes e homogêneas. Ou seja, sistema da forma
| (4.5) |
onde , , é o vetor das incógnitas e é a matriz dos coeficientes.
O método consiste em buscar soluções da forma
| (4.6) |
onde e o vetor constante devem ser determinados.
Substituindo em (4.5), obtemos111.
| (4.7) | |||
| (4.8) | |||
| (4.9) |
ou seja, temos que e devem tais que
| (4.10) |
Em outras palavras, é autovalor e é autovetor da matriz .
Com isso, concluímos que se autovalor e autovetor de , então
| (4.11) |
é solução particular de (4.5). A solução geral tem a forma
| (4.12) |
onde , , , formam um conjunto fundamental de soluções de (4.5), i.e. são soluções linearmente independentes.
No caso da matriz dos coeficientes ter apenas todos os autovalores reais e dois a dois distintos, então a solução geral de (4.5) é
| (4.13) |
onde e é autovalor e autovetor de respectivamente e . A independência linear das soluções é garantida pelo wronskiano
| (4.14) |
Vamos resolver o seguinte sistema
| (4.15) | ||||
| (4.16) |
Primeiramente, reescrevemos o sistema na sua forma matricial
| (4.17) |
onde . Então, calculamos os autovalores da matriz dos coeficientes . Para tanto, resolvemos sua equação característica
| (4.18) | |||
| (4.23) | |||
| (4.26) | |||
| (4.27) | |||
| (4.28) | |||
| (4.29) | |||
| (4.30) |
Obtidos os autovalores, calculamos os autovetores e . Começamos calculando o autovetor associado a .
| (4.31) | |||
| (4.38) | |||
| (4.45) | |||
| (4.50) | |||
| (4.53) |
Assim, temos
| (4.54) | |||
| (4.55) |
donde escolhemos
| (4.56) |
Com isso, temos obtido a solução particular
| (4.57) | ||||
| (4.60) |
Agora, de forma análoga, calculamos , um autovetor associado a .
| (4.61) | |||
| (4.64) | |||
| (4.69) | |||
| (4.72) | |||
| (4.73) | |||
| (4.76) |
Com isso, temos a solução particular
| (4.77) | ||||
| (4.80) |
No Python, podemos computar os autovalores e autovetores da matriz com os seguintes comandos222Veja mais informações em SymPy: Matrices.:
Então, a solução do sistema (4.15) pode ser computada com os comandos:
Um autovalor real duplo da matriz de coeficientes nos fornece duas soluções particulares para (4.5), a saber
| (4.89) | ||||
| (4.90) |
onde é autovetor associado a . Para encontrar , substituímos em (4.5), donde
| (4.91) | |||
| (4.92) | |||
| (4.93) |
Segue que
| (4.94) | ||||
| (4.95) |
Vamos calcular a solução geral de
| (4.96) |
Neste caso, temos que é autovalor duplo e é autovalor simples da matriz de coeficientes do sistema (4.96).
Associadas a buscamos por soluções particulares da forma
| (4.97) | |||
| (4.98) |
Calculamos resolvendo
| (4.99) | |||
| (4.103) | |||
| (4.107) |
Com isso, podemos escolher
| (4.108) |
Determinado , calculamos com
| (4.109) | |||
| (4.113) |
donde escolhemos
| (4.114) |
Agora, associada a temos uma solução particular da forma
| (4.115) |
onde
| (4.116) | |||
| (4.120) | |||
| (4.124) |
Com isso, temos , . Ou seja, podemos escolher
| (4.125) |
Com tudo isso, podemos concluir que a solução geral de (4.96) é
| (4.126) | ||||
| (4.139) |
Vejamos o caso de serem autovalores complexos da matriz de coeficientes do sistema (4.5). Associados, temos autovetores da forma
| (4.140) | ||||
| (4.141) |
Por substituição direta, podemos verificar que
| (4.142) | ||||
| (4.143) |
são soluções de (4.5). Também, verifica-se que as partes real e imaginária de e são soluções reais de (4.5). A fim determiná-las, usamos a fórmula de Euler333Leonhard Paul Euler, 1707-1783, matemático e físico suíço. Fonte: Wikipédia: Leonhard Euler., calculamos
| (4.144) | ||||
| (4.145) | ||||
| (4.146) | ||||
| (4.147) |
De forma análoga, verifica-se que . Ou seja, as partes reais e imaginárias de e são
| (4.148) | ||||
| (4.149) |
as quais são soluções linearmente independentes, particulares de (4.5).
Vamos calcular a solução geral de
| (4.150) |
Começamos calculando os autovalores associados a matriz de coeficientes do sistema (4.150). Podemos fazer isso como segue
| (4.151) | |||
| (4.154) | |||
| (4.155) | |||
| (4.156) | |||
| (4.157) |
Um autovetor associado a pode ser obtidos resolvendo-se
| (4.160) | |||
| (4.165) | |||
| (4.168) | |||
| (4.169) |
Com isso, podemos escolher o autovetor
| (4.172) | ||||
| (4.177) |
Desta forma, identificamos as soluções particulares
| (4.182) | ||||
| (4.187) |
Concluímos que a solução geral de (4.150) é
| (4.188) | ||||
| (4.193) | ||||
| (4.198) |
Resolva o seguinte PVI
| (4.201) | ||||
| (4.204) |
O primeiro passo é encontrar a solução geral de
| (4.205) |
Para tanto, calculamos os autovalores da matriz dos coeficientes.
| (4.206) | |||
| (4.209) | |||
| (4.210) | |||
| (4.211) | |||
| (4.212) |
Então, buscamos por autovetores associados.
| (4.213) | |||
| (4.216) | |||
| (4.217) | |||
| (4.220) |
| (4.221) | |||
| (4.226) | |||
| (4.229) | |||
| (4.232) |
Com isso, temos a solução geral da EDO dada por
| (4.233) | ||||
| (4.238) |
Agora, aplicamos a condição inicial.
| (4.241) | |||
| (4.248) | |||
| (4.253) | |||
| (4.256) |
Segue que
| (4.257) | ||||
| (4.258) |
donde, e .
Concluímos que a solução do PVI é
| (4.259) |
No Python, podemos computar a solução deste exercício com os seguintes comandos:
Calcule a solução geral do seguinte sistema
| (4.260) | ||||
| (4.261) | ||||
| (4.262) | ||||
| (4.263) |
Vamos reescrever o sistema na sua forma matricial.
| (4.264) |
Calculamos os autovalores da matriz dos coeficientes.
| (4.265) | |||
| (4.270) | |||
| (4.271) |
Resolvendo esta equação característica, obtemos os autovalores e .
:
Soluções particulares associadas.
| (4.272) | |||
| (4.273) |
O vetor é autovetor associado a .
| (4.274) | |||
| (4.279) | |||
| (4.284) |
O vetor é calculado como segue.
| (4.285) | |||
| (4.290) | |||
| (4.295) |
:
Soluções particulares associadas.
| (4.296) | ||||
| (4.297) |
Os vetores e são, respectivamente, as partes real e imaginária de autovetor associado a ou . Usando e denotando o autovetor por , calculamos como segue.
| (4.298) | |||
| (4.303) | |||
| (4.316) |
De tudo isso, temos a solução geral
| (4.317) | ||||
| (4.322) | ||||
| (4.331) | ||||
| (4.340) | ||||
| (4.349) |
ou, equivalentemente,
| (4.350) | ||||
| (4.351) | ||||
| (4.352) | ||||
| (4.353) | ||||
| (4.354) |
Calcule a solução geral de
| (4.355) | ||||
| (4.356) |
,
Calcule a solução do PVI
| (4.357) | ||||
| (4.358) |
,
Calcule a solução geral de
| (4.359) |
Calcule a solução do PVI
| (4.360) | ||||
| (4.361) |
,
Encontre a solução geral de
| (4.362) | ||||
| (4.363) |
,
Encontre a solução geral de
| (4.364) | ||||
| (4.365) | ||||
| (4.366) |
, ,
Aproveito para agradecer a todas/os que de forma assídua ou esporádica contribuem enviando correções, sugestões e críticas!

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