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A forma geral de uma EDO linear de primeira ordem é
(2.1) |
onde , e são funções de . Esta pode ser reescrita na forma
(2.2) |
escolhendo e .
Primeiramente, vamos considerar o caso em que (constante) e , i.e.
(2.3) |
Observamos que é solução trivial. Agora, para , podemos reescrever esta equação da seguinte forma
(2.4) | ||||
(2.5) |
Integrando em relação a , obtemos
(2.6) | ||||
(2.7) | ||||
(2.8) | ||||
(2.9) | ||||
(2.10) |
onde é uma constante indeterminada. Da definição do valor absoluto, temos esta última equação nos fornece que
(2.11) | |||
(2.12) |
e
(2.13) | |||
(2.14) | |||
(2.15) |
Lembrando que é uma constante indeterminada, em qualquer caso, temos
(2.16) |
Observamos, ainda, que tomando esta última equação também engloba a solução trivial .
Portanto, concluímos que a solução geral de (2.3) é
(2.17) |
Vamos resolver o seguinte Problema de Valor Inicial (PVI)
(2.18) | |||
(2.19) |
Começamos calculando a solução geral da EDO:
(2.20) | ||||
(2.21) | ||||
(2.22) | ||||
(2.23) | ||||
(2.24) | ||||
(2.25) |
Por fim, aplicamos a condição inicial
(2.27) | ||||
(2.28) | ||||
(2.29) |
Concluímos que a solução do PVI é
(2.30) |
No Python, podemos computar a solução solução geral da EDO com os seguintes comandos:
Então, para aplicarmos a condição inicial e obtermos a solução do PVI, usamos:
O esboço do gráfico da solução pode ser produzido com:
Vejamos, agora, o caso de uma EDO da forma
(2.31) |
O método dos fatores integrantes consiste em multiplicarmos a equação por uma função (fator integrante) de forma que
(2.32) |
Pela regra do produto para derivada, temos que
(2.33) |
Ou seja, tal função deve satisfazer a seguinte EDO
(2.34) |
Usando o mesmo procedimento utilizado para (2.3), obtemos que
(2.35) |
Observamos que qualquer escolha de é apropriada e, por simplicidade, escolhemos . Ou seja, escolhemos o fator integrante
(2.36) |
Agora, retornamos a equação (2.31). Multiplicando-a pelo fator integrante , obtemos
(2.37) | |||
(2.38) | |||
(2.39) | |||
(2.40) | |||
(2.41) |
Portanto, concluímos que
(2.43) |
é a solução geral de (2.31).
Vamos calcular a solução geral da seguinte EDO
(2.44) |
Aplicando o método dos fatores integrantes, temos
(2.45) | ||||
(2.46) |
Ou seja, devemos escolher tal que
(2.47) | |||
(2.48) | |||
(2.49) | |||
(2.50) | |||
(2.51) |
Por simplicidade, escolhemos .
Com isso, a EDO (2.44) pode ser reescrita como
(2.52) | |||
(2.53) |
Integrando, obtemos
(2.54) | |||
(2.55) | |||
(2.56) | |||
(2.57) |
a qual é a solução geral. A figura abaixo contém esboços dos gráficos da solução geral para diferentes valores de .
No Python, podemos computar a solução solução geral da EDO e fazer o gráfico acima com os seguintes comandos:
O caso geral de uma EDO linear de primeira ordem
(2.58) |
também pode ser resolvido pelo método dos fatores integrantes. Neste caso, o fator integrante deve ser escolhido de forma que
(2.59) | |||
(2.60) |
ou seja
(2.61) |
Integrando, obtemos o fator integrante
(2.62) |
Usando este fator integrante, a equação (2.58) pode ser reescrita da seguinte maneira
(2.63) |
Integrando, obtemos a solução geral
(2.64) |
Vamos calcular a solução geral da seguinte EDO
(2.65) |
Primeiramente, calculamos o fator integrante tal que
(2.66) |
Ou seja, precisamos que
(2.67) |
Integrando, obtemos
(2.68) | ||||
(2.69) | ||||
(2.70) |
Aplicando o fator integrante a EDO (2.65), obtemos
(2.71) | |||
(2.72) | |||
(2.73) | |||
(2.74) |
(Mistura em tanque) No instante inicial s (segundo), um tanque contem kg (quilograma) de sal dissolvido em L (litro) de água. Uma solução de kg/L de sal e água entra no tanque a uma taxa de L/s. Esta solução mistura-se com o líquido presente no tanque e a mistura final sai do tanque a mesma taxa de L/s.
Vamos modelar a quantidade de sal kg presente no tanque a cada instante s. Temos que é função do tempo s, i.e. . A condição inicial é
(2.75) |
A taxa de variação de no tempo é e é modelada por
(2.76) |
Ou seja, o problema é modelado como o seguinte PVI
(2.77) | |||
(2.78) |
onde , , e 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.
(Objeto em queda livre) Seja kg a massa de um objeto em queda livre em um meio com resistência de kg/s e aceleração da gravidade de m/s. 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
(2.79) |
onde m/s é a velocidade do objeto (sentido positivo igual ao da força da gravidade). Assumindo que o objeto tem velocidade m/s no instante inicial , o modelo resume-se ao seguinte PVI:
(2.80) | |||
(2.81) |
onde , , e são parâmetros.
Resolva o seguinte PVI
(2.82) | |||
(2.83) |
Primeiramente, obtemos a solução geral da EDO pelo método dos fatores integrante. Para tanto, buscamos pelo fator integrante tal que
(2.84) |
ou seja,
(2.85) | |||
(2.86) |
Obtido o fator integrante, reescrevemos a EDO como segue
(2.87) | |||
(2.88) |
Integrando, obtemos a solução geral
(2.89) |
Aplicando a condição inicial, obtemos
(2.90) | |||
(2.91) | |||
(2.92) |
Concluímos que a solução do PVI é .
Calcule a solução geral da EDO
(2.93) |
Buscamos pelo fator integrante tal que
(2.94) |
ou seja,
(2.95) | |||
(2.96) |
Obtido o fator integrante, reescrevemos a EDO como segue
(2.97) | |||
(2.98) |
Integrando, obtemos a solução geral
(2.99) |
(Mistura em tanque) No instante inicial s (segundo), um tanque contem kg de sal dissolvidos em L d’água. Uma solução de kg/L de sal e água entra no tanque a uma taxa de L/s. Esta solução mistura-se com o líquido presente no tanque e a mistura final sai do tanque a mesma taxa de L/s. Calcule a quantidade de sal misturado no tanque após hora de operação, i.e. quando s.
Denotando por kg a quantidade de sal misturado no tanque no instante , temos que a taxa de variação de no tempo é dada por
(2.100) | ||||
(2.101) |
Ou seja, o modelo constitui-se no seguinte PVI
(2.102) | |||
(2.103) |
Para resolver o problema, vamos usar o método dos fatores integrantes. O fator integrante é escolhido como sendo
(2.104) | ||||
(2.105) |
Segue que a EDO (2.102) pode ser reescrita como
(2.106) |
Integrando, obtemos
(2.107) | ||||
(2.108) | ||||
(2.109) |
Da condição inicial, obtemos
(2.110) | |||
(2.111) | |||
(2.112) |
Logo, a solução do PVI é
(2.113) |
No tempo s, temos
(2.114) |
Calcule a solução do seguinte PVI
(2.115) | |||
(2.116) |
Calcule a solução do seguinte PVI
(2.117) | |||
(2.118) |
Calcule a solução geral da seguinte EDO
(2.119) |
Calcule a solução geral do seguinte PVI
(2.120) | |||
(2.121) |
Calcule a solução geral do seguinte PVI
(2.122) | |||
(2.123) |
Seja um objeto de massa kg em queda livre sujeito a aceleração da gravidade de m/s e resistência do meio de kg/s. Assuma, ainda, que o objeto está em repouso no tempo inicial e a uma altura de m (metros) do solo. Quanto tempo leva para o objeto atingir o solo.
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