Ecuaciones lineales homogéneas de coeficientes constantes

En este caso los coeficientes de la ecuación b1, b2...bn ∈R

Sabemos que admite un sistema fundamental de soluciones.

Probando soluciones de la forma y=erx, tenemos

r n e rx + b n-1 r n-1 e rx +...+ b 1 r e rx + b 0 e rx =0= e rx ( r n + b n-1 r n-1 +...+ b 1 r+ b 0 ) ( r n + b n-1 r n-1 +...+ b 1 r+ b 0 )=0

pues erx≠0

r n + b n-1 r n-1 +...+ b 1 r+ b 0 =0

es la llamada ecuación característica

A cada raíz de la ecuación característica le corresponderá una solución de la forma, y i = e r i x

Raíces de la ecuación característica:

  1. Raíces simples

    1. Reales

    2. { e r 1 x , e r 2 x ... e r n x } , es un sistema fundamental, la integral general vendrá dada por:

      y= C 1 e r 1 x + C 2 e r 2 x +...+ C n e rnx , C 1 , C 2 ... C n R

      Ejemplo: y'''-y'=0

      La ecuación característica:

      r 3 -r=0=r( r 2 -1)r={ 0 1 -1

      La integral general:

      y= C 1 + C 2 e x + C 3 e -x

    3. Complejas, caso n=2

    4. Suponiendo que a±bi es la raíz, la integral general

      y= C 1 e (a+bi)x + C 2 e (a-bi)x = e ax ( C 1 e bix + C 2 e -bix )

      Aplicando Euler

      y= e ax [ C 1 (cosbx+isenbx)+ C 2 (cosbx-isenbx) ]= = e ax [ ( C 1 + C 2 )cosbx+i( C 1 - C 2 )senbx ]= e ax ( K 1 cosbx+ K 2 senbx)

      Ejemplo: y'''-4y'+5y=0

      La ecuación característica: r2-4r+5=0, r=2±i

      La integral general:

      y= e 2x ( K 1 cosx+ K 2 senx)

  2. Raíces múltiples

    1. Reales

    2. r1 se repite p1⇒ orden de multiplicidad p1
      r2 se repite p2⇒ orden de multiplicidad p2
      .....
      rn se repite pn⇒ orden de multiplicidad pn

      p1+p2+...+pn=n

      El sistema fundamental vendrá dado por:

      r 1 { e r 1 x ,x e r 1 x , x 2 e r 1 x .... x p 1 -1 e r 1 x } r 2 { e r 2 x ,x e r 2 x , x 2 e r 2 x .... x p 2 -1 e r 2 x } . . . r q { e r q x ,x e r q x , x 2 e r q x .... x p q -1 e r q x }

      La integral general:

      y= P 1 (x) e r 1 x + P 2 (x) e r 2 x +...+ P q (x) e r q x

      P1(x) es un polinomio de grado p1-1 (p1 constantes)
      P2(x) es un polinomio de grado p2-1 (p2 constantes)
      ......
      Pq(x) es un polinomio de grado pq-1 (pq constantes)

      Ejemplo: yV-3y'''+2y''=0

      Ecuación característica:

      r 5 -3 r 3 +2 r 2 =0= r 2 ( r-1 ) 2 (r+2)  { r=0,  doble r=1,   doble r=-2,   simple y= A 1 + A 2 x+( B 1 + B 2 x) e x + C 1 e -2x

    3. Complejas

    4. Sabiendo que

      a±bi se repite p veces (orden de multiplicidad p)
      c±di se repite q veces (orden de multiplicidad q)

      2p+2q=n

      La integral general

      y= P 1 (x) e (a+bi)x + P 2 (x) e (a-bi)x + P 3 (x) e (c+di)x + P 4 (x) e (c-di)x

      P1(x) es un polinomio de grado p-1 (p constantes)
      P2(x) es un polinomio de grado p-1 (p constantes)
      P3(x) es un polinomio de grado q-1 (q constantes)
      P4(x) es un polinomio de grado q-1 (q constantes)

      Aplicando la fórmula de Euler como en el caso de las raíces simples, nos quedará

      y= e ax ( Q 1 (x)cosbx+ Q 2 (x)senbx )+ e cx ( Q 3 (x)cosdx+ Q 4 (x)sendx )

      Q1(x) es un polinomio de grado p-1 (p constantes)
      Q2(x) es un polinomio de grado p-1 (p constantes)
      Q3(x) es un polinomio de grado q-1 (q constantes)
      Q4(x) es un polinomio de grado q-1 (q constantes)

      Ejemplo: yIV-8y'''+26y'-40y'+25y=0

      Ecuación característica

      r 4 -8 r 3 +26 r 2 -40r+25=0= ( r 2 -4r+5 ) 2

      2±i es raíz doble. La integral general:

      y= e 2x ( ( A 1 + A 2 x)cosx+( B 1 + B 2 x)senx )

Integrar las siguientes ecuaciones:

  1. y''-4y'+3y=0

  2. 4y''-8y'+5y=0

  3. 3y''-2y'-8y=0

  4. y'''3y''+3y'-y=0

  5. y'''-27y=0

  6. 3y''-2y'-8y=0

  7. y IV +4y'''+10y''+12y'+5y=0

  8. y IV -16y=0

  9. 2y'''-3y''+y'=0

  10. y IV +18y''+81y=0

  11. y'''-3y''+3y'-y=0,y(0)=1,y'(0)=2,y''(0)=3

  12. y V +4y IV +5y'''-6y'-4y=0