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+uv'+f(x)uv=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+uv'-2xuv=2x e x 2 u(v'-2xv)+u'v=2x e x 2

    Haciendo

    v'-2xv=0 dv v =2xdxlnv= x 2 v= e x 2 u' e x 2 =2x e x 2 du dx =2xu= 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+uv'+ 4uv 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)dxu= x 3 3 -x+C

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

  5. chxdy+(yshx+ e x )dx=0

  6. y'+ shx chx y+ e x chx =0u'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 dxlnu=-lnchxu= 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 ,aR

  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 dxlnu=alnxu= 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(yctgy+1)=ctgy

  10. x'+x( yctgy+1 y )= ctgy y { x=uv u'v+uv'+uv( yctgy+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 )dylnv=-lnseny-lnyv= 1 yseny u' 1 yseny = ctgy y du=cosydyu=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+1v(u'+3u)+uv'= x 2 -3x+1. u'+3u=0 du u =-3dxlnu=-3xu= e -3x e -3x v'= x 2 -3x+1v= 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 =0y'+ y 1- x 2 - x+1 =0

  14. y=u.v(u'v+uv')+ uv 1- x 2 - x+1 =0 v( u'+ u 1- x 2 )+uv'- 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 lnu= 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=2tdt t 2 +2 t 2tdt=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),n0,1{ n=0lineal n=1variables 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=-4xv(u'+4u)+uv'=-4x. u'+4u=0 du u =-4dxlnu=-4xu= e -4x e -4x dv dx =-4xv=-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 =zz'=- y' y 2 -z'+4z=senx+cosx

    Ecuación lineal. Haciendo z=u·v tenemos

    -(u'v+uv')+4uv=senx+cosx. u(-v'+4v)-u'v=senx+cosx;haciendo(-v'+4v)=0 dv v =4dxlnv=4xv= e 4x . -u' e 4x =senx+cosxu=- 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=uv= 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=uv-(u'v+uv')= 3uv x + 1 x 3 v(-u'- 3u x )-uv'= 1 x 3 -u'- 3u x =0 du u =- 3dx x lnu=-3lnxu= 1 x 3 - 1 x 3 dv dx = 1 x 3 dv=-dxv=-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+xydx=0

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

    Multiplicando por x

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

    sustituyendo

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

    lineal

    1 2 (u'v+uv')+ uv y +( y 2 +1 y )=0v( 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=-2lnyu= 1 y 2 1 2 y 2 v'+( y 2 +1 y )=0v'=-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=0lnv= x 2 v= e x 2 - e x 2 u'= 1 x 2 +2u=- 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=4lnyu= 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. (xlnx)y'-y= x 3 (3lnx-1)

  2. 2xy'-y=3 x 2

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

  4. y'= 1 xseny+2sen2y

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

  6. 3xy'-2y= x 3 y 2

  7. y'= 3 x 2 x 3 +y+1

  8. (2senx)y'+ycosx= y 3 (xcosx-senx)

  9. 3xdy=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 yy'=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