Ecuaciones homogéneas y reducibles a ellas

Definición: Una función f(x, y) se dice que es homogénea de grado n respecto a sus variables si cumple:

∀λ,  f (λ x, λy)= λ n  f (x,y)

Ejemplos:

  1. f(x,y)=3 x 2 y− y 2 x 2 +2 y 2 , es una función homogénea de grado tres

  2. f(λ x, λy)=3 ( λ x ) 2 (λ y  )- ( λ y ) 2 ( λ x ) 2 +2 ( λ y ) 2 = λ 3  (  3 x 2 y- y 2 x 2 +2 y 2   )

  3. f(x,y)=3 sen( y x ) , es homogénea de grado cero

  4. f(λ x, λy)=3 sen( λ x λ y )= λ 0 3 sen( y x )

  5. f(x,y)=x e 2x x+y -5y , es homogénea de grado uno

Ecuaciones homogéneas de primer orden

Definición: Una ecuación diferencial de primer orden dy dx =f(x, y) , se dice que es homogénea, cuando la función f(x, y) es homogénea de grado 'cero'. Observación. Si la ecuación viene dada de la forma:

M(x, y)dx+N(x, y)dy=0

Será homogénea cuando las funciones M(x, y) y N(x, y) sean homogéneas del mismo grado.

Resolución: Haciendo el cambio, y=u·x, y'=u'x+u, se reduce a una de variables separadas

Ejemplos:

  1. 4x-3y+y'(2y-3x)=0

  2. y'= 3y-4x 2y-3x     { y=u x y'=u' x+u ⇒u' x+u= 3 u x-4x 2 u x-3x = 3u-4 2u-3 ⇒ u' x= 3u-4 2u-3 -u= -2 u 2 +6u-4 2u-3 = -2( u 2 -3u+2) 2u-3 = -2(u-1)(u-2) 2u-3 2u-3 (u-1)(u-2) du=-2 dx x 2u-3 (u-1)(u-2) = A u-1 + B u-2 ⇒{ A=1  B=1  ln(u-1)+ln(u-2)=-2lnx+lnC⇒ln[ (u-1)(u-2) ]=ln C x 2 ⇒  ⇒(u-1)(u-2)= C x 2

    Deshaciendo el cambio (y-x)(y-2x)=C

  3. 2 x 3  y'=y ( y 2 +3 x 2 )

  4. u'x+u= u x ( u 2 x 2 +3 x 2 ) 2 x 3 = u 3 +3u 2 ⇒u'x= u 3 +3u-2u 2 = = u 3 +u 2 ⇒2 du u 3 +u = dx x 2 u( u 2 +1) = A u + Bu+C u 2 +1 ⇒{ A( u 2 +1)+(Bu+C)u=2 A=2,B=-2,C=0 lnx+lnK=2lnu-ln( u 2 +1)⇒ln(xK)=ln u 2 u 2 +1 ⇒xK= u 2 u 2 +1

    Deshaciendo el cambio

    xK= y 2 x 2 y 2 x 2 +1 ⇒xK= y 2 y 2 + x 2

  5. (x y-2  y 2 ) dx-(  x 2 -3 x y) dy=0

  6. y '= x y-2 y 2 x 2 -3 x y

    Haciendo el cambio

    { y=u x y '=u 'x+u  ⇒u 'x+u= u   x 2 -2  u 2   x 2 x 2 -3  x 2  u = u-2  u 2 1-3 u  ⇒u 'x= u-2  u 2 1-3 u  -u= u 2 1-3 u ⇒ 1-3 u u 2  d u= d x x ⇒ ∫ ( 1 u 2 - 3 u )   du= ∫ d x x ⇒ - 1 u -3ln u=ln x+ln C ⇒- 1 u =ln ( u 3  x  C )

    Deshaciendo el cambio

    - x y =ln ( y 3 x 3  x C )⇒ e -  x y = C  y 3 x 2

  7. (3 x 2 +2xy- y 2 ) dx+( x 2 -2xy-3 y 2 ) dy=0

  8. y '= y 2 -3x - 2 2xy x 2 -2xy-3 y 2 y=ux⇒u 'x+u= u 2 -3-2u 1-2u-3 u 2 u 'x= u 2 -3-2u-u+2 u 2 +3 u 3 1-2u-3 u 2 = 3 u 3 +3 u 2 -3u-3 1-2u-3 u 2 ⇒ dx x = 1-2u-3 u 2 3 u 3 +3 u 2 -3u-3  du  1 3 ∫ 1-2u-3 u 2 ( u+1 ) 2 (u-1) du⇒ 1-2u-3 u 2 ( u+1 ) 2 (u-1) = -3u+1 (u+1)(u-1) = A u+1 + B u-1 {  A=-2  B=-1 1 3 [ -2ln(u+1)-ln(u-1) ]=lnx+lnK⇒ 1 ( u+1 ) 2 (u-1) = ( xk ) 3 ⇒ ⇒ x 3 (y+x) 2 (y-x) = k 3 x 3 ⇒ ( y+x ) 2 (y-x)= 1 k 3 =cte

  9. y '= 2 x y 3 x 2 - y 2

  10. u'x+u= 2u 3- u 2 ⇒u'x= 2u 3- u 2 -u= 2u-3u+ u 3 3- u 2 = u 3 -u 3- u 2 3- u 2 u( u 2 -1) du= dx x . 3- u 2 u( u 2 -1) = A u + B u-1 + C u+1 ⇒{  A=-3  B=  1  C=1 -3lnu+ln(u-1)+ln(u+1)=lnx+lnK⇒ u 2 -1 u 3 =Kx x( y 2 - x 2 ) y 3 =Kx⇒ y 2 - x 2 =K  y 3

  11. y '= 4  x 2 +x y - 3  y 2 5  x 2  - 2 x y -  y 2

  12. u'x+u= 4+u-3 u 2 5-2u- u 2 ⇒u'x= 4+u-3 u 2 5-2u- u 2 -u= u 3 - u 2 -4u+4 5-2u- u 2 5-2u- u 2 u 3 - u 2 -4u+4 du= dx x 5-2u- u 2 (u-1)(u-2)(u+2) = A u-1 + B u-2 + C u+2 ⇒{  A=- 2 3  B=- 3 4  C= 5 12 lnKx=- 2 3 ln(u-1)- 3 4 ln(u-2)+ 5 12 ln(u+2)= = 1 12 ln ( u+2 ) 5 ( u-1 ) 8 ( u-2 ) 9 ⇒ x 12 cte= ( y+2x ) 5   x 12 ( y-x ) 8 ( y-2x ) 9 ⇒ ⇒ ( y-x ) 8 ( y-2x ) 9 cte= ( y+2x ) 5

Ecuaciones reducibles a homogéneas

Ecuaciones de la forma:

dy dx =f( ax+by+c mx+ny+l )

Evidentemente si c=l=0, es una ecuación homogénea, caso contrario se estudia el sistema:

{ ax+by+c=0 mx+ny+l=0

Este sistema representa dos rectas en el plano y se tiene los siguientes casos:

  1. Sistema compatible determinado, las rectas se cortan en un punto (x0, y0). Realizando el cambio de variables:

  2. x=X+ x 0  , y=Y+ y 0 ⇒{ dx=dX dy=dY ⇒y'=Y' ax+by+c=a(X+ x 0 )+b(Y+ y 0 )+c=aX+bY+(a x 0 +b y 0 +c)=aX+bY+0 mx+ny+l=m(X+ x 0 )+n(Y+ y 0 )+l=mX+nY+(m x 0 +n y 0 +l)=mX+nY+0

    La ecuación se convierte en la homogénea:

    dY dX =f ( aX+bY mX+nY )

    Ejemplo: (3y-7x+7)dx-(3x-7y-3)dy=0

    y'= -7x+3y+7 3x-7y-3 ⇒{ -7x+3y+7=0      3x-7y-3=0

    Como

    | -7     3   3   -7  | ≠0

    solución única

    x 0 =  | -7     3  3   -7  |  | -7     3  3   -7  | =1,   y 0 =0⇒{ x=X+1 y=Y Y'= -7X+3Y 3X-7Y  homogénea { Y=uX Y'=u'X+u ⇒u'X+u= -7+3u 3-7u u'X= 7 u 2 -7 3-7u ⇒ 3-7u u 2 -1 du=7 dX X 3-7u u 2 -1 = A u-1 + B u+1 ⇒{ B=-5 A=-2 lnK-2ln(u-1)-5ln(u+1)=7lnX⇒ K ( u-1 ) 2 ( u+1 ) 5 = X 7 ⇒K= ( Y-X ) 2 ( Y+X ) 5 = ( y-x+1 ) 2 ( y+x-1 ) 5

  3. El sistema es compatible indeterminado (rectas coincidentes)

  4. a m = b n = c l

    Se realiza la división y la ecuación es de variables separadas

    Ejemplo: (x-2y+5)dx+(-3x+6y-15)dy=0

    y'=- x-2y+5 -3x+6y-15 = 1 3 ⇒3dy=dx⇒3y=x+K

  5. El sistema es incompatible (rectas paralelas)

  6. a m = b n ≠ c l

    Al ser

    a m = b n =h⇒{ a=m.h b=n.h ⇒y'=f ( mhx+nhy+c mx+ny+l )=f ( h(mx+ny)+c mx+ny+l )

    se hace el cambio mx+ny=z y pasa a variables separadas

    Ejemplo: (x-2y-1)dx+(3x-6y+2)dy=0

    y'=- x-2y-1 3x-6y+2  haciendo { x-2y=z 1-2y'=z' ⇒ 1-z' 2 = -z+1 3z+2 -z'= 2(-z+1) 3z+2 -1= -5z 3z+2 ⇒z'= dz dx = 5z 3z+2 ⇒ 3z+2 5z  dz=dx ( 3 5 + 2 5z ) dz=dx⇒ 3 5 z+ 2 5 lnz+lnK=x. 2lnz+lnC=5x-3z⇒2ln(x-2y)+lnC=2x+6y=2(x+3y) ln(x-2y)+lnA=x+3y⇒A (x-2y)= e x+3y

Integrar las ecuaciones:

  1. y dx-(x+y)dy=0

  2. xdy-ydx= x 2 + y 2 dx

  3. y 3 dy+3 y 2 x dx+2 x 3 dx=0

  4. x y '= x 2 - y 2 +y

  5. 4 x 2 -x y+ y 2 +y ' ( x 2 -x y+4 y 2 )=0

  6. y '= y 3 +2  x 2  y 2 (  x 3 +x  y 2 ) .

  7. ( x-ycos y x ) dx+xcos y x dy=0

  8. ydx+( 2 x y -x ) dy=0

  9. y '=2   ( y+2 x+y-1 ) 2

  10. ( x e y x +y )dx-xdy=0

  11. (2x-y+2)dx+(4x-2y-1)dy=0

  12. y '= x+y-1 3x-y+5

  13. (x+y+1)dx-(x+y-1)dy=0

  14. y '= 2x+3y-1 5-4x-6y

  15. 3x+y-2+y'(x-1)=0

  16. (5y+7x)dy+(8y+10x)dx=0