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2.1 Equação linear

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A forma geral de uma EDO linear de primeira ordem é

P(t)dydt+Q(t)y=G(t), (2.1)

onde P(t)0, Q(t) e G(t) são funções de t. Esta pode ser reescrita na forma

dydt+p(t)y=g(t), (2.2)

escolhendo p(t)=Q(t)/P(t) e g(t)=G(t)/P(t).

2.1.1 EDO autônoma e homogênea

Primeiramente, vamos considerar o caso em que p(t)a0 (constante) e g(t)0, i.e.

dydt+ay=0. (2.3)

Observamos que y(t)0 é solução trivial. Agora, para y(t)0, podemos reescrever esta equação da seguinte forma

dydt =ay (2.4)
1ydydt =a (2.5)

Integrando em relação a t, obtemos

1ydydt𝑑t =a𝑑t (2.6)
ln|y| =at+c (2.7)
eln|y| =eat+c (2.8)
eln|y| =eatec (2.9)
|y| =ceat, (2.10)

onde c é uma constante indeterminada. Da definição do valor absoluto, temos esta última equação nos fornece que

y>0 (2.11)
y=|y|=ceat (2.12)

e

y<0 (2.13)
y=|y|=ceat (2.14)
y=ceat. (2.15)

Lembrando que c é uma constante indeterminada, em qualquer caso, temos

y(t)=ceat. (2.16)

Observamos, ainda, que tomando c=0 esta última equação também engloba a solução trivial y(t)0.

Portanto, concluímos que a solução geral de (2.3) é

y(t)=ceat. (2.17)
Exemplo 2.1.1.

Vamos resolver o seguinte Problema de Valor Inicial (PVI)

yy=0,t>0, (2.18)
y(0)=1. (2.19)

Começamos calculando a solução geral da EDO:

y =y (2.20)
1ydydt =1 (2.21)
1ydydt𝑑t =1𝑑t (2.22)
ln|y| =t+c (2.23)
eln|y| =et+c (2.24)
y(t) =cet. (2.25)

Por fim, aplicamos a condição inicial

y(0) =1 (2.27)
ce0 =1 (2.28)
c =1 (2.29)

Concluímos que a solução do PVI é

y(t)=et. (2.30)
Refer to caption
Figura 2.1: Solução do problema de valor inicial tratado no Exemplo 2.1.1.

No Python, podemos computar a solução solução geral da EDO com os seguintes comandos:

1    In : from sympy import *
2    In : t = symbols('t')
3    In : y = symbols('y', cls=Function)
4    In : edo = Eq(y(t).diff(t)-y(t),0)
5    In : sol = dsolve(edo,y(t))
6    In : sol
7    Out: Eq(y(t), C1*exp(t))

Então, para aplicarmos a condição inicial e obtermos a solução do PVI, usamos:

1    In : C1 = symbols('C1')
2    In : cs = solve(Eq(sol.rhs.subs(t,0),1),dict=True)
3    In : cs
4    Out: [{C1: 1}]
5
6    In : sol = sol.subs(cs[0])
7    In : sol
8    Out: Eq(y(t), exp(t))

O esboço do gráfico da solução pode ser produzido com:

1    In: plot(sol.rhs, (t,0, 2), ylabel='$y(t)$')

2.1.2 Método dos fatores integrantes

Vejamos, agora, o caso de uma EDO da forma

dydt+ay=g(t). (2.31)

O método dos fatores integrantes consiste em multiplicarmos a equação por uma função μ=μ(t) (fator integrante) de forma que

μdydt+μay=ddt(μy). (2.32)

Pela regra do produto para derivada, temos que

μdydt+μay=μdydt+μy. (2.33)

Ou seja, tal função μ deve satisfazer a seguinte EDO

μ=aμ. (2.34)

Usando o mesmo procedimento utilizado para (2.3), obtemos que

μ(t)=ceat. (2.35)

Observamos que qualquer escolha de c0 é apropriada e, por simplicidade, escolhemos c=1. Ou seja, escolhemos o fator integrante

μ(t)=eat. (2.36)

Agora, retornamos a equação (2.31). Multiplicando-a pelo fator integrante μ(t)=eat, obtemos

μdydt+μay=μg(t) (2.37)
ddt(μy)=μg(t) (2.38)
d(μy)=μg(t)𝑑t (2.39)
μy=μg(t)𝑑t+c (2.40)
y=1μ[μg(t)𝑑t+c]. (2.41)

Portanto, concluímos que

y(t)=eat[g(t)eat𝑑t+c] (2.43)

é a solução geral de (2.31).

Exemplo 2.1.2.

Vamos calcular a solução geral da seguinte EDO

yy=1. (2.44)

Aplicando o método dos fatores integrantes, temos

μyμy =(μy) (2.45)
=μy+μy. (2.46)

Ou seja, devemos escolher μ tal que

μ=μ (2.47)
1μdμdt=1 (2.48)
1μ𝑑μ=1𝑑t (2.49)
ln|μ|=t+c (2.50)
μ=cet (2.51)

Por simplicidade, escolhemos μ=et.

Com isso, a EDO (2.44) pode ser reescrita como

ddt(μy)=μ1 (2.52)
ddt(ety)=et. (2.53)

Integrando, obtemos

ety=et𝑑t (2.54)
ety(t)=et+c (2.55)
y(t)=etet+cet (2.56)
y(t)=1+cet, (2.57)

a qual é a solução geral. A figura abaixo contém esboços dos gráficos da solução geral para diferentes valores de c.

Refer to caption
Figura 2.2: Esboço do gráfico da solução geral para: (verde) c=1, (vermelho) c=0 e (azul) c=1.

No Python, podemos computar a solução solução geral da EDO e fazer o gráfico acima com os seguintes comandos:

1    In : from sympy import *
2    In : y = symbols('y', cls=Function)
3    In : t,C1 = symbols('t,C1')
4    In : edo = Eq(diff(y(t),t)-y(t),1)
5    In : sg = dsolve(edo)
6    In : sg
7    Out: Eq(y(t), C1*exp(t) - 1)
8
9    In : p = plot(sg.rhs.subs(C1,-1), (t,-2,2), \
10    ...:          ylabel='y(t)', line_color='blue', show=False)
11    ...:
12    In : q = plot(sg.rhs.subs(C1,0), (t,-2,2), \
13    ...:          ylabel='y(t)', line_color='red', show=False)
14    ...:
15    In : p.extend(q)
16    In : q = plot(sg.rhs.subs(C1,1), (t,-2,2), \
17    ...:          ylabel='y(t)', line_color='green', show=False)
18    ...:
19    In : p.extend(q)
20    In : p.show()

2.1.3 Caso geral

O caso geral de uma EDO linear de primeira ordem

y+p(t)y=g(t) (2.58)

também pode ser resolvido pelo método dos fatores integrantes. Neste caso, o fator integrante μ=μ(t) deve ser escolhido de forma que

μy+μp(t)y=(μy) (2.59)
μy+μp(t)y=μy+μy, (2.60)

ou seja

μ=p(t)μ. (2.61)

Integrando, obtemos o fator integrante

μ(t)=ep(t)𝑑t. (2.62)

Usando este fator integrante, a equação (2.58) pode ser reescrita da seguinte maneira

ddt(μy)=μg(t). (2.63)

Integrando, obtemos a solução geral

y(t)=1μ(t)[μ(t)g(t)𝑑t+c]. (2.64)
Exemplo 2.1.3.

Vamos calcular a solução geral da seguinte EDO

y+1ty=t. (2.65)

Primeiramente, calculamos o fator integrante μ=μ(t) tal que

μy+μ1ty=(μy)=μy+μy. (2.66)

Ou seja, precisamos que

μ=1tμ. (2.67)

Integrando, obtemos

μ(t) =e1t𝑑t (2.68)
=eln|t| (2.69)
=t (2.70)

Aplicando o fator integrante a EDO (2.65), obtemos

ddt(ty)=t2 (2.71)
ty=t2𝑑t (2.72)
y=1t[t33+c] (2.73)
y=t23+ct (2.74)

2.1.4 Aplicação em modelagem

Exemplo 2.1.4.

(Mistura em tanque) No instante inicial t=0 s (segundo), um tanque contem q0 kg (quilograma) de sal dissolvido em l L (litro) de água. Uma solução de s kg/L de sal e água entra no tanque a uma taxa de r L/s. Esta solução mistura-se com o líquido presente no tanque e a mistura final sai do tanque a mesma taxa de r L/s.

Vamos modelar a quantidade de sal q kg presente no tanque a cada instante t s. Temos que q é função do tempo t s, i.e. q=q(t). A condição inicial é

q(0)=q0. (2.75)

A taxa de variação de q no tempo é dq/dt e é modelada por

dqdt=srtaxa de entradaqlrtaxa de saída. (2.76)

Ou seja, o problema é modelado como o seguinte PVI

dqdt=srqlr,t>0, (2.77)
q(0)=q0, (2.78)

onde s, r, l e q0 são parâmetros do problema. A EDO relacionada é linear de primeira ordem e, portanto, pode ser resolvida pelo método dos fatores integrantes. Veja o Exercício Resolvido 2.1.3.

Exemplo 2.1.5.

(Objeto em queda livre) Seja m kg a massa de um objeto em queda livre em um meio com resistência de γ kg/s e aceleração da gravidade de g m/s2. A segunda lei de Newton é a lei física que estabelece que a força total atuando sobre o objeto é igual a sua massa multiplicada por sua aceleração. Desta forma, obtemos

mdvdtmassa×aceleração=mgforça da gravidadeγvforça da resistência], (2.79)

onde v=v(t) m/s é a velocidade do objeto (sentido positivo igual ao da força da gravidade). Assumindo que o objeto tem velocidade v0 m/s no instante inicial t=0, o modelo resume-se ao seguinte PVI:

mdvdt=mgγv,t>0, (2.80)
v(0)=v0, (2.81)

onde m, g, γ e v0 são parâmetros.

Exercícios resolvidos

ER 2.1.1.

Resolva o seguinte PVI

y+y=1,t>0, (2.82)
y(0)=2. (2.83)
Solução.

Primeiramente, obtemos a solução geral da EDO pelo método dos fatores integrante. Para tanto, buscamos pelo fator integrante μ tal que

μy+μy=(μy), (2.84)

ou seja,

μ=μ (2.85)
μ(t)=et. (2.86)

Obtido o fator integrante, reescrevemos a EDO como segue

ddt(μy)=μ1 (2.87)
ddt(ety)=et. (2.88)

Integrando, obtemos a solução geral

y=1+cet. (2.89)

Aplicando a condição inicial, obtemos

y(0)=2 (2.90)
1+ce0=2 (2.91)
c=1. (2.92)

Concluímos que a solução do PVI é y(t)=1+et.

ER 2.1.2.

Calcule a solução geral da EDO

y+1ty=sen(t),t>0. (2.93)
Solução.

Buscamos pelo fator integrante μ tal que

μy+μ1ty=(μy), (2.94)

ou seja,

μ=μt (2.95)
μ(t)=e1t𝑑t=eln|t|=t. (2.96)

Obtido o fator integrante, reescrevemos a EDO como segue

ddt(μy)=μsen(t) (2.97)
ddt(ty)=tsen(t). (2.98)

Integrando, obtemos a solução geral

y(t)=ct+sen(t)tcos(t). (2.99)
ER 2.1.3.

(Mistura em tanque) No instante inicial t=0 s (segundo), um tanque contem 100 kg de sal dissolvidos em 1000 L d’água. Uma solução de 0,2 kg/L de sal e água entra no tanque a uma taxa de 10 L/s. Esta solução mistura-se com o líquido presente no tanque e a mistura final sai do tanque a mesma taxa de 10 L/s. Calcule a quantidade de sal misturado no tanque após 1 hora de operação, i.e. quando t=3600 s.

Solução.

Denotando por q=q(t) kg a quantidade de sal misturado no tanque no instante t, temos que a taxa de variação de q no tempo é dada por

dqdt =0,210q100010 (2.100)
=2q100. (2.101)

Ou seja, o modelo constitui-se no seguinte PVI

dqdt=2q100,t>0, (2.102)
q(0)=100. (2.103)

Para resolver o problema, vamos usar o método dos fatores integrantes. O fator integrante é escolhido como sendo

μ(t) =e1100𝑑t (2.104)
=et/100. (2.105)

Segue que a EDO (2.102) pode ser reescrita como

ddt(qet/100)=2et/100. (2.106)

Integrando, obtemos

q(t) =et/1002et/100𝑑t (2.107)
=et/100(200et/100+c) (2.108)
=200+cet/100. (2.109)

Da condição inicial, obtemos

q(0)=100 (2.110)
200+c=100 (2.111)
c=100. (2.112)

Logo, a solução do PVI é

q(t)=200100et/100. (2.113)

No tempo t=3600 s, temos

q(3600)=200100e3600/100200kg. (2.114)

Exercícios

E. 2.1.1.

Calcule a solução do seguinte PVI

y+y=0,t>0, (2.115)
y(0)=1. (2.116)
Resposta.

y(t)=et

E. 2.1.2.

Calcule a solução do seguinte PVI

yy=2,t>0, (2.117)
y(0)=1. (2.118)
Resposta.

y(t)=3et2

E. 2.1.3.

Calcule a solução geral da seguinte EDO

y+y=sen(t). (2.119)
Resposta.

y(t)=cet+sen(x)2cos(x)2

E. 2.1.4.

Calcule a solução geral do seguinte PVI

y+1ty=2t,t>1, (2.120)
y(1)=0. (2.121)
Resposta.

y(t)=23(t21t)

E. 2.1.5.

Calcule a solução geral do seguinte PVI

ty+2y=1,t>1, (2.122)
y(1)=1. (2.123)
Resposta.

y(t)=12(1t2+1)

E. 2.1.6.

Seja um objeto de massa m=1 kg em queda livre sujeito a aceleração da gravidade de 9,8 m/s2 e resistência do meio de γ=0,2 kg/s. Assuma, ainda, que o objeto está em repouso no tempo inicial e a uma altura de 10 m (metros) do solo. Quanto tempo leva para o objeto atingir o solo.

Resposta.

1.5 s


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