Ecuaciones lineales de primer orden

Definición: Se llama ecuación diferencial lineal de primer orden a la que es lineal con respecto a la función (incógnita y) y su derivada.

y'+f(x)y=g(x)

Donde f(x) y g(x) son funciones continuas en un cierto dominio D

En el caso que g(x)=0, se dice que la ecuación lineal es homogénea. Esta ya es de variables separadas.

dy y =-f(x) dx

Ejemplo: y'-2xy=2x e x 2

Resolución: Se hace el cambio y=u(x)v(x)

u' v+u v'+f(x) u v=g(x)⇒u(v'-f(x) v)+u' v=g(x) , (*)

v(x) se determina con la condición (v'-f(x)v)=0

Sustituyendo en (*) se obtiene u(x)

Ejemplos:

  1. Resolviendo el ejemplo anterior tenemos:

  2. u' v+u v'-2x u v=2x e x 2 ⇒u(v'-2xv)+u' v=2x e x 2

    Haciendo

    v'-2xv=0⇒ dv v =2xdx⇒lnv= x 2 ⇒v= e x 2 u' e x 2  =2x e x 2 ⇒ du dx =2x⇒u= x 2 +C

    La integral general

    y= e x 2 ( x 2 +C)

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

  4. u' v+u v'+ 4 u v x-1 = x+1    ( x-1 ) 3 . u( v'+ 4v x-1 )+u' v= x+1    ( x-1 ) 3  ⇒  ⇒{ v'+ 4v x-1 =0⇒ dv v =-4 dx x-1 ⇒lnv=-4ln(x-1)⇒v= 1 ( x-1 ) 4 1 ( x-1 ) 4 du dx = x+1    ( x-1 ) 3 ⇒du= ( x 2 -1)dx⇒u= x 3 3 -x+C

    y= 1 ( x-1 ) 4 ( x 3 3 -x+C )

  5. chx dy+(yshx+ e x )dx=0

  6. y'+ shx chx y+ e x chx =0⇒u'v+uv'+ shx chx uv+ e x chx =0 v [ u'+ shx chx u ]+uv'+ e x chx =0 u'+ shx chx u=0⇒ du u =- shx chx dx⇒lnu=-lnchx⇒u= 1 chx 1 chx dv dx = - e x chx ⇒v=- e x +C

    y= 1 chx ( - e x +C )

  7. y'- a x y= x+1 x , a∈R

  8. u'v+uv'- a x uv= x+1 x ⇒v( u'- a x u )+uv'= x+1 x . u'- a x u=0⇒ du u = a x dx⇒lnu=a lnx⇒u= x a x a v'= x+1 x ⇒ dv dx = x -(a+1) (x+1)⇒v= x -a+1 -a+1 + x -a -a +C

    y= x a ( x -a+1 -a+1 + x -a -a +C )=( x 1-a - 1 a +C  x a )=( ax+a-1 a(1-a) +C  x a )

  9. y dx dy +x (y ctgy+1)=ctgy

  10. x'+x( yctgy+1 y )= ctgy y      { x=uv u'v+uv'+uv( y ctgy+1 y )= ctgy y u [ v'+v( yctgy+1 y ) ]+u'v= ctgy y   haciendo  v'+v( yctgy+1 y )=0⇒ ⇒ dv v =-( ctgy+ 1 y ) dy⇒lnv=-lnseny-lny⇒v= 1 yseny u' 1 yseny = ctgy y ⇒du=cosydy⇒u=seny+C

    x= 1 yseny (seny+C)= 1 y + C yseny

  11. dy dx +3y= x 2 -3x+1

  12. u'v+uv'+3uv= x 2 -3x+1⇒v(u'+3u)+uv'= x 2 -3x+1. u'+3u=0⇒ du u =-3dx⇒lnu=-3x⇒u= e -3x e -3x v'= x 2 -3x+1⇒v= ∫ e 3x ( x 2 -3x+1)dx=  =     e 3x 3 ( x 2 -3x+1)- ∫     e 3x 3 (2x-3)dx=    e 3x 3 ( x 2 -3x+1)-     e 3x 9 (2x-3)+ ∫    e 3x 9 2dx= =     e 3x 3 ( x 2 -3x+1)-     e 3x 9 (2x-3)+ 2 e 3x 27 +C y= e -3x [     e 3x 3 ( x 2 -3x+1)-     e 3x 9 (2x-3)+ 2 e 3x 27 +C ]

    y= 1 27 ( 9 x 2 -33x+20 )+C e -3x

  13. (1- x 2 ) y'+y-(1- x 2 )  x+1 =0⇒y'+ y 1- x 2 - x+1 =0

  14. y=u.v⇒(u' v+u v')+ u v 1- x 2 - x+1 =0 v ( u'+ u 1- x 2 )+u v'- x+1 =0 , (*)

    Haciendo

    ( u'+ u 1- x 2 )=0⇒ du u = dx x 2 -1 1 x 2 -1 = A x-1 + B x+1 ⇒{ A= 1 2 B= -1 2 ⇒ln u= 1 2 ln ( x-1 x+1 ) ⇒u= x-1 x+1

    Volviendo a (*)

    x-1 x+1     dv dx = x+1 ⇒v= ∫ x+1 x-1  dx   { x-1= t 2 dx=2t dt      ∫   t 2 +2 t  2t dt=2 ∫ ( t 2 +2 )dt= 2  t 3 3 +4t+C= 2 3 ( x-1 ) 3 +4 x-1 +C y= x-1 x+1  ( 2 3 ( x-1 ) 3 +4 x-1 +C )

    y= 1 x+1 ( 2 3 ( x-1 ) 2 +4(x-1)+C x-1 )

Ecuaciones reducibles a lineales

Ecuación de Bernoulli

Es una ecuación de la forma:

y'+yf(x)= y n g(x), n≠0,1  { n=0⇒lineal n=1⇒variables separadas

Resolución: Se divide entre yn, se hace el cambio, z= 1 y n-1 , y ya se tiene la lineal.

Ejemplos:

  1. y'-y=xy5

  2. y' y 5 − 1 y 4 =x⇒{ 1 y 4 =z −4 y' y 5 =z' ⇒− z' 4 −z=x

    uv'+u'v+4uv=-4x⇒v(u'+4u)+uv'=-4x. u'+4u=0⇒ du u =-4dx⇒lnu=-4x⇒u= e -4x e -4x dv dx =-4x⇒v=-4 ∫ x e 4x dx=-( x e 4x - ∫ e 4x dx )= e 4x ( 1 4 -x )+C

    z= e -4x [ e 4x ( 1 4 -x )+C ]=( 1 4 -x )+C e -4x = 1 y 4

  3. y'+4y= y 2 (senx+cosx)

  4. Dividiendo entre y2 tenemos:

    y' y 2 + 4 y =senx+cosx

    Haciendo

    1 y =z⇒z'=- y' y 2 -z'+4z=senx+cosx

    Ecuación lineal. Haciendo z=u·v tenemos

    -(u'v+u v')+4u v=senx+cosx. u (-v'+4v)-u' v=senx+cosx;  haciendo  (-v'+4v)=0 ⇒ dv v =4 dx⇒ln v=4x⇒v= e 4x . -u' e 4x =senx+cosx⇒u=- ∫ e -4x (senx+cosx) dx

    Cíclica

    ∫ e -4x (senx+cosx) dx =- 1 4 e -4x (senx+cosx)+ 1 4 ∫ e -4x (cosx-senx)dx= - 1 4 e -4x (senx+cosx)+ 1 4 [ - 1 4 e -4x (cosx-senx)+ 1 4 ∫ e -4x (-senx-cosx)dx ]⇒ ( 1+ 1 16 ) ∫ e -4x (senx+cosx) dx =  e -4x { ( - 1 4 + 1 16 ) senx+( - 1 4 - 1 16 ) cosx }⇒ ∫ e -4x (senx+cosx) dx = 16 17 e -4x ( -3 16 senx+ -5 16 cosx )=- 1 17 e -4x (3senx+5cosx) u= 1 17 e -4x (3senx+5cosx)+C 1 y =z=u v= 1 17 ( 3senx+5cosx+17C e 4x )

    y= 17 3senx+5cosx+K e 4x

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

  6. 2y'= 3y x + y 3 x 3 ⇒ 2y' y 3 = 3 y 2 1 x + 1 x 3

    con el cambio

    1 y 2 =z,   -2y' y 3 =z'

    -z'= 3z x + 1 x 3

    lineal

    z=u v⇒-(u' v+u v')= 3u v x + 1 x 3 v(-u'- 3u x )-u v'= 1 x 3 -u'- 3u x =0⇒ du u =- 3dx x ⇒lnu=-3lnx⇒u= 1 x 3 - 1 x 3 dv dx = 1 x 3 ⇒dv=-dx⇒v=-x+C

    z= 1 y 2 = 1 x 3 (-x+C)⇒ x 3 = y 2 (-x+C)⇒x( x 2 + y 2 )=C  y 2

  7. ( x 2 + y 2 +1)dy+x ydx=0

  8. dx dy +  x y + 1 x ( y 2 +1 y )=0

    Multiplicando por x

    x x'+    x 2 y +( y 2 +1 y )=0 z= x 2 ⇒z'=2x x'  

    sustituyendo

    z' 2 + z y +( y 2 +1 y )=0

    lineal

    1 2 (u'v+uv')+ uv y +( y 2 +1 y )=0⇒v( 1 2 u'+ u y )+ 1 2 uv'+( y 2 +1 y )=0 ( 1 2 u'+ u y )=0⇒ du u =-2 dy y ⇒lnu=-2lny⇒u= 1 y 2 1 2 y 2 v'+( y 2 +1 y )=0⇒v'=-2 y 2 ( y 2 +1 y )=-2( y 3 +y )⇒ ⇒v=-2( y 4 4 + y 2 2 )+C=-    y 4 2 - y 2 +C

    z= x 2 = 1 y 2 ( -    y 4 2 - y 2 +C )=- y 2 2 -1+ C y 2 ⇒2 x 2 y 2 + y 4 +2 y 2 =K

  9. x 2 y'+2 x 3 y= y 2 (1+2 x 2 )

  10. y'+2xy= y 2 ( 1+2 x 2 x 2 )⇒ y' y 2 +2 x y =( 1+2 x 2 x 2 ) z= 1 y , z'=- y' y 2 ⇒-z'+2zx=( 1+2 x 2 x 2 ) z=uv⇒-(u'v+uv')+2uvx=( 1+2 x 2 x 2 ) u(-v'+2vx)-u'v=( 1+2 x 2 x 2 )= 1 x 2 +2 -v'+2vx=0⇒lnv= x 2 ⇒v= e x 2 - e x 2 u'= 1 x 2 +2⇒u=- ∫ e - x 2 ( 1 x 2 +2 )dx

    integrando por partes

    -[ - 1 x e - x 2 + ∫ e - x 2 (-2x) 1 x dx+2 ∫ e - x 2 dx ]+C= 1 x e - x 2 +C

    1 y = e x 2 ( 1 x e - x 2 +C )= 1 x + e x 2 C

  11. dx dy + 2 y x= y 3 x 3

  12. x' x 3 +2 1 x 2 1 y = y 3 ⇒ 1 x 2 =z,       -2 x 3 x'=z' - z' 2 +2 z y = y 3 ⇒- 1 2 (u'v+uv')+2 uv y = y 3 v( - u' 2 + 2u y )- uv' 2 = y 3 ;  - u' 2 + 2u y =0⇒ du u = 4 y ⇒ lnu=4lny⇒u= y 4 . - y 4 v' 2 = y 3 ⇒v=-2 ∫ 1 y dy=-2lny+C

    1 x 2 = y 4 (-2lny+C)

Ecuación de Riccati

Es una ecuación de la forma:

y'+f(x)y+g(x) y 2 =h(x)

Ejemplo

y'=1- 1 2 xy+ 1 2 y 2

Se observa que y=x es una solución particular de dicha ecuación.

Con el cambio y=x+ 1 u   , nos queda

1- u' u 2 =1- 1 2 x( x+ 1 u )+ 1 2 ( x+ 1 u ) 2 ⇒- u' u 2 = x 2u + 1 2 u 2 ⇒ u'+ 1 2 xu+ 1 2 =0

lineal

Integrar las ecuaciones:

  1. (x ln x) y '-y= x 3 (3 ln x-1)

  2. 2 x y '-y=3  x 2

  3. (1+ y 2 )dx=( 1+ y 2 seny-xy)dy

  4. y '= 1 x sen y+2 sen 2 y

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

  6. 3 x y '-2y = x 3 y 2

  7. y '= 3  x 2 x 3 +y+1

  8. (2senx)​y ​'+ycos x= y 3 (xcosx-senx)

  9. 3x dy=y(1+xsenx-3 y 3 senx) dx

  10. y '+ y x +x y 2 =0

  11. 8xy '-y=- 1 y 3 x+1

  12. y 2 (x+ x 2 )+3+ x 2 y y'=0

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

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

  15. Solución particular, y=x

  16. dy dx +y= y 2 (cosx-senx)

  17. xdy-[ y+x y 3 (1+lnx) ] dx=0