Este documento presenta el método para resolver ecuaciones diferenciales ordinarias (EDO) con coeficientes homogéneos. Introduce el concepto de funciones homogéneas y cómo transformar una EDO con coeficientes homogéneos en una ecuación separable mediante el cambio de variable y=xv. El método consiste en sustituir esta relación en la EDO original para obtener una ecuación separable en x e v que puede resolverse mediante integración.
Durante el período citado se sucedieron tres presidencias radicales a cargo de Hipólito Yrigoyen (1916-1922),
Marcelo T. de Alvear (1922-1928) y la segunda presidencia de Yrigoyen, a partir de 1928 la cual fue
interrumpida por el golpe de estado de 1930. Entre 1916 y 1922, el primer gobierno radical enfrentó el
desafío que significaba gobernar respetando las reglas del juego democrático e impulsando, al mismo
tiempo, las medidas que aseguraran la concreción de los intereses de los diferentes grupos sociales que
habían apoyado al radicalismo.
2. Ecuaciones separable de primer orden
Definicion
Se dice de aquellas ecuaciones diferenciales de primer orden de la forma
dy
dx
= f(x, y) = g(x)h(y)
¿ S´on estas EDO separables?
x
dy
dx
= 4y ex
y
dy
dx
= e−y
+ e−2x−y dy
dx
=
xy + 3x − y − 3
xy − 2x + 4y − 8
dy
dx
+ 3x2
y = 1 x2
y′
+ x(x + 2)y = ex
P´agina 2 Semana 03 02.2014 C. Dom´ınguez -R. Prato
3. dy
dx
= g(x)h(y)
1
h(y)
·
dy
dx
=
1
h(y)
· g(x)h(y)
p(y) ·
dy
dx
= g(x)
Si y = φ(x) es soluci´on de la EDO
p(φ(x))φ′
(x) = g(x)
p(φ(x))φ′
(x) dx + C1 = g(x)dx + C2
pero dy = φ′(x) dx, as´ı
p(y) dy = g(x)dx + C.
p(y) :=
1
h(y)
C := C2 − C1
P´agina 3 Semana 03 02.2014 C. Dom´ınguez -R. Prato
4. Resolver
dy
dx
=
xy + 3x − y − 3
xy − 2x + 4y − 8
.
Tenemos
dy
dx
=
(y + 3)(x − 1)
(y − 2)(x + 4)
=⇒
y − 2
y + 3
·
dy
dx
=
x − 1
x + 4
integrando
y − 2
y + 3
dy =
x − 1
x + 4
dx + C
y − 2
y + 3
= 1 −
5
y + 3
se obtiene:
y − 5 ln |y + 3| = x − 5 ln |x + 4| + C
y organizando t´erminos
Forma implicita de la soluci´on
ey
(x + 4)5
= c ex+1
(y + 3)5
.
P´agina 4 Semana 03 02.2014 C. Dom´ınguez -R. Prato
5. Resolver (ex
+ e−x
)
dy
dx
= y2
Aplicando el m´etodo de separaci´on de variables tenemos que
(ex
+ e−x
)
dy
dx
= y2
⇒ y−2 dy
dx
=
1
ex + e−x
y−2
dy =
dx
ex + e−x
+ C ⇒ −y−1
= arctan ex
+ C
Esto es:
Forma explicita de la soluci´on
y(x) = −
1
arctan ex + C
Pregunta
¿Existe soluci´on para el PVI
dy
dx
=
y2
ex + e−x
y(0) = 0
P´agina 5 Semana 03 02.2014 C. Dom´ınguez -R. Prato
6. Perdida de soluci´on:
Al separar las variables, es posible que los divisores de alguna de ellas sean
cero an alg´un punto. En particular, si h(r) = 0 para alg´un r ∈ R, entonces
y(x) = r es soluci´on, ya que
dy
dx
= 0 = g(x)0 = 0.
Pero al separar las variables
dy
h(y)
= g(x) dx
no esta definido en x = r. En consecuencia y(x) = r podria no mostrarse
en la familia de soluciones.
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7. Resolver x + ex+y
cos y dy
dx
= 0
Separando las variables obtenemos
ey
cos ydy = − xe−x
dx + c.
1.) Integraci´on parcial del lado izq. con
u = ey
⇒ du = ey
dv = cos ydy ⇒ v = sin y
ey
cos ydy = ey
sin y − ey
sin y dy + c
ey
cos ydy = ey
sin y − ey
sin y dy
int. parcial con u = ey ⇒ du = ey
dv = sin ydy ⇒ v = − cos y
+ c
= ey
sin y + ey
cos y + ey
cos y dy + c
ey
cos ydy =
1
2
ey
sin y +
1
2
ey
cos y + c
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8. 2.) Integraci´on parcial para xe−x
dx con
u = x ⇒ du = dx
dv = e−x
dx ⇒ v = −e−x
xe−x
dx = −xe−x
+ e−x
dx + c
= −xe−x
− e−x
+ c
− xe−x
dx = xe−x
+ e−x
+ c
y por lo tanto la soluci´on implicita de la EDO es
1
2
ey
sin y +
1
2
ey
cos y = xe−x
+ e−x
+ c
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9. Resolver
dx
dt
= x2
− 4x − 5
x(1) = 5
1 ¿ Tiene el PVI soluci´on ´unica?
f(t, x) = x2
− 4x − 5
∂f
∂x = 2x − 4
* Ambas son continuas en IR2
* (t0, x0) = (1, 5) ∈ IR2
* TEU implica la existencia de soluci´on ´unica.
2 La ecuaci´on es aut´onoma.
Puntos criticos c = 5, −1
Soluciones de equilibrio: x(t) = 5, x(t) = −1
P´agina 9 Semana 03 02.2014 C. Dom´ınguez -R. Prato
10. −2 −1 0 1 2 3 4
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
x
−1
Campo de direcciones para y’=y2
−4*y−5
−2 −1 0 1 2 3 4
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
x
5
Campo de direcciones para y’=y2
−4*y−5
P´agina 10 Semana 03 02.2014 C. Dom´ınguez -R. Prato
11. Resolver
dx
dt
= x2
− 4x − 5
x(0) = 1
(t0, x0) = (0, 1) ∈ IR2
.
El TEU garantiza una unica soluci´on x(t) alrededor del punto
(t0, x0) = (0, 1).
Observe que el punto no pertenece a la grafica de la soluciones de
equilibrio.
Pregunta: Como determinamos la soluci´on? Haciendo separaci´on de
variables
1
(x − 5)(x − 1)
dx = dt + c
Soluci´on general:
x(t) =
5 + c · e6t
1 − c · e6t
Cond. Inicial: x(0) = 1
x(t) =
5 − 2e6t
1 + 2e6t
P´agina 11 Semana 03 02.2014 C. Dom´ınguez -R. Prato
12. Resolver
dy
dt
= 3x2/3
x(1) = 0
Punto critico c = 0 ⇒ Soluci´on de equilibrio: x(t) = 0
(t0, x0) = (1, 0) pertenece a
la gr´afica de la soluci´on de
equilibrio x(t) = 0.
⇒ x(t) = 0 es solucion.
Es la ´unica soluci´on del PVI
dado? TEU:
f(t, x) = 3y2/3
∂f
∂x = 2/x2/3
⇒ En D = R × R − {0} las
funciones f y ∂f/∂x son
continuas y (1, 0) /∈ D. −10 −8 −6 −4 −2 0 2 4 6 8
−8
−6
−4
−2
0
2
4
6
8
Campo de direcciones para y’=3*y
(
2/3)
Entonces el TEU no garantiza nada. Conclusi´on: Tenemos por lo menos
una solucion al PVI, pero no sabemos si es la ´unica!
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13. Separando variables e integrando obtenemos
x1/3
= t + C ⇒ x(t) = (t + c)3
al reemplazar la condici´on inicial x(1) = 0 obtenemos c = 0
x(t) = t3
y por lo tanto el PVI tiene por lo menos dos soluciones
x(t) = 0 x(t) = t3
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14. Resolver
dy
dt
= 3x2/3
x(2) = 3
(t0, x0) = (2, 3) no pertenece
a la gr´afica de la soluci´on de
equilibrio x(t) = 0.
Existe una soluci´on el PVI?
Es ´unica? TEU:
f(t, x) = 3y2/3
∂f
∂x = 2/x2/3
⇒ En D = R × R − {0} las
funciones f y ∂f/∂x son
continuas y (2, 3) ∈ D. −10 −8 −6 −4 −2 0 2 4 6 8
−8
−6
−4
−2
0
2
4
6
8
Campo de direcciones para y’=3*y
(
2/3)
Entonces por el TEU existe una ´unica soluci´on x(t) definida alrededor del
punto t0 = 2.
Reemplazando la condici´on inicial x(2) = 3 en x(t) = (t + c)3 obtenemos
c = 3
√
3 − 2
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15. Funciones homog´eneas (en el sentido algebraico)
Se dice que una funci´on continua f(x, y) es homog´enea de grado λ si,
para todo n´umero real t,
f(tx, ty) = tλ
f(x, y)
Ejemplo:
f(x, y) = x2
+ y2
⇒ f(tx, ty) = (tx)2
+ (ty)2
= t2
x2
+ t2
y2
= t2
(x2
+ y2
)
= t2
f(x, y)
La funci´on es homog´enea de grado 2
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16. Funciones homog´eneas (en el sentido algebraico)
Se dice que una funci´on continua f(x, y) es homog´enea de grado λ si,
para todo n´umero real t,
f(tx, ty) = tλ
f(x, y)
Ejemplo:
f(x, y) =
(2x + y)
y
⇒ f(tx, ty) =
(2tx + ty)
ty
=
t
t
(2x + y)
y
= t0
f(x, y)
La funci´on es homog´enea de grado 0
P´agina 16 Semana 03 02.2014 C. Dom´ınguez -R. Prato
17. Funciones homog´eneas (en el sentido algebraico)
Se dice que una funci´on continua f(x, y) es homog´enea de grado λ si,
para todo n´umero real t,
f(tx, ty) = tλ
f(x, y)
Ejemplo:
f(x, y) =
1
√
x + y
⇒ f(tx, ty) =
1
√
tx + ty
=
1
t(x + y)
=
1
√
t
√
x + y
= t−1/2
f(x, y)
La funci´on es homog´enea de grado −1
2
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18. Ecuaciones con coeficientes homog´eneos
Supongamos que la forma normal de EDO es de la forma
y′
= f(x, y) := −
M(x, y)
N(x, y)
o en forma equivalente:
M(x, y)dx + N(x, y)dy = 0
donde M(x, y) y N(x, y) satisface alguna de las siguientes opciones
(note que son equivalentes):
1 f(x, y) = −
M(x, y)
N(x, y)
es homog´enea de grado 0.
2 M(x, y) y N(x, y) son funciones homog´eneas del mismo grado.
En este caso, decimos que la EDO tiene coeficientes homog´eneos.
y′
=
x + y
x − y
y′
=
y2
− 9
x2 + 4
x + yey/x
dx − xey/x
dy = 0
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19. M´etodo de soluci´on: EDO con coeficientes homogeneos
Si M y N son funciones homog´eneas del mismo grado α,
Sustituci´on: y = xv M(x, y)= xα
M(1, v) N(x, y)= xα
N(1, v)
dy = vdx + xdv
M(x, y)dx + N(x, y)dy = 0
xα
M(1, v)dx + xα
N(1, v)dy = 0
xα
M(1, v)dx + N(1, v)dy = 0
M(1, v)dx + N(1, v)dy = 0
M(1, v)dx + N(1, v) vdx + xdv = 0
M(1, v)dx + vN(1, v) dx + xN(1, v)dv = 0
dx
x
+
N(1, v)dv
M(1, v) + vN(1, v)
= 0 EDO separable!
1
20. Ejemplo: Hallar la soluci´on general de y′
=
x + y
x − y
1 f(x, y) =
x + y
x − y
es homog´enea de grado 0.
2 Sustituci´on y = xv ⇒
dy
dx
= v + x
dv
dx
3 Reemplazando en la EDO
v + x
dv
dx
=
1 + v
1 − v
4 Resolviendo por separaci´on de variables
x v2 + 1 = cearctan v
5 puesto que v = y/x tenemos
x2 + y2 = cearctan(y/x)
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21. Ejemplo: Hallar la soluci´on general de −ydy + (x +
√
xy)dy = 0
1 ¿Es una EDO autonoma, separable o homog´enea?
dy
dx
= −
y
x +
√
xy
= −
M(x, y)
N(x, y)
⇒ f(x, y) = −
y
x +
√
xy
f(tx, ty) = −
ty
tx +
√
tx ty
= −
ty
tx + t2x y
= −
ty
tx + t
√
x y
= −
t
t
y
x +
√
x y
= −t0 y
x +
√
x y
Homogenea de grado 0 !
f(tx, ty) = −t0 y
x +
√
xy
= t0
f(x, y)
P´agina 21 Semana 03 02.2014 C. Dom´ınguez -R. Prato
22. Ejemplo: Hallar la soluci´on general de −ydy + (x +
√
xy)dy = 0
2 Sustituci´on y = xv ⇒
dy
dx
= v + x
dv
dx
3 reemplazando en la EDO ⇒ v + x
dv
dx
=
1 + v
1 − v
4 Separando las variables e integrando
v − 1
v2 + 1
dv = −
dx
x
+ c⇒
1
2
ln(v2
+ 1) − arctan v = − ln |x| + c
⇒ x v2 + 1 = cearctan v
5 Reemplazando v = y/x
⇒ x2 + y2 = cearctan(y/x)
P´agina 22 Semana 03 02.2014 C. Dom´ınguez -R. Prato