Ecuaciones diferenciales ejemplos resueltos

Ejemplos de ecuaciones diferenciales

Una ecuación que contiene la derivada de una función desconocida se llama ecuación diferencial. La tasa de cambio de una función en un punto está definida por las derivadas de la función. Una ecuación diferencial relaciona estas derivadas con las demás funciones. Las ecuaciones diferenciales se utilizan principalmente en los campos de la biología, la física, la ingeniería y muchos otros. El objetivo principal de la ecuación diferencial es estudiar las soluciones que satisfacen las ecuaciones y las propiedades de las soluciones. Vamos a discutir la definición, los tipos, los métodos para resolver la ecuación diferencial, el orden y el grado de la ecuación diferencial, los tipos de ecuaciones diferenciales, con ejemplos del mundo real y problemas de práctica.

Una ecuación diferencial es una ecuación que contiene al menos una derivada de una función desconocida, ya sea una derivada ordinaria o una derivada parcial. Supongamos que la tasa de cambio de una función y con respecto a x es inversamente proporcional a y, lo expresamos como dy/dx = k/y.

En cálculo, una ecuación diferencial es una ecuación que involucra la derivada (derivados) de la variable dependiente con respecto a la variable independiente (variables). La derivada no representa más que una tasa de cambio, y la ecuación diferencial nos ayuda a presentar una relación entre la cantidad que cambia con respecto al cambio de otra cantidad. y=f(x) sea una función donde y es una variable dependiente, f es una función desconocida, x es una variable independiente. He aquí algunas ecuaciones diferenciales.

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Ecuaciones diferenciales de primer orden

Parece que estás en un dispositivo con un ancho de pantalla “estrecho” (es decir, probablemente estás en un teléfono móvil). Debido a la naturaleza de las matemáticas de este sitio, es mejor verlo en modo apaisado. Si su dispositivo no está en modo apaisado, muchas de las ecuaciones se saldrán por el lateral de su dispositivo (debería poder desplazarse para verlas) y algunos de los elementos del menú quedarán cortados debido al estrecho ancho de la pantalla.

El primer caso especial de ecuaciones diferenciales de primer orden que veremos es la ecuación diferencial lineal de primer orden. En este caso, a diferencia de la mayoría de los casos de primer orden que veremos, podemos derivar una fórmula para la solución general. La solución general se deriva a continuación. Sin embargo, le sugerimos que no memorice la fórmula en sí. En lugar de memorizar la fórmula deberías memorizar y entender el proceso que voy a utilizar para derivar la fórmula. En realidad, la mayoría de los problemas son más fáciles de resolver utilizando el proceso en lugar de la fórmula.

Entonces, veamos cómo resolver una ecuación diferencial lineal de primer orden. Recuerde que a medida que avanzamos a través de este proceso que el objetivo es llegar a una solución que está en la forma \ (y = y\left( t \right)\). A veces es fácil perder de vista el objetivo cuando pasamos por este proceso por primera vez.

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El cálculo es la matemática del cambio, y las tasas de cambio se expresan mediante derivadas. Así, una de las formas más comunes de utilizar el cálculo es plantear una ecuación que contenga una función desconocida (y=f(x)\Ny su derivada, conocida como ecuación diferencial. La resolución de este tipo de ecuaciones suele proporcionar información sobre cómo cambian las cantidades y, con frecuencia, permite entender cómo y por qué se producen los cambios.

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Las técnicas para resolver ecuaciones diferenciales pueden adoptar muchas formas diferentes, incluyendo la solución directa, el uso de gráficos o los cálculos por ordenador. Presentamos las ideas principales en este capítulo y las describimos con un poco más de detalle más adelante en el curso. En esta sección estudiamos qué son las ecuaciones diferenciales, cómo verificar sus soluciones, algunos métodos que se utilizan para resolverlas y algunos ejemplos de ecuaciones comunes y útiles.

Consideremos la ecuación \(y′=3x^2,\) que es un ejemplo de ecuación diferencial porque incluye una derivada. Existe una relación entre las variables \(x\) y \(y:y\) es una función desconocida de \(x\). Además, el lado izquierdo de la ecuación es la derivada de \(y\). Por lo tanto, podemos interpretar esta ecuación como sigue: Partimos de alguna función \(y=f(x)\Ny tomamos su derivada. La respuesta debe ser igual a \(3x^2\). ¿Qué función tiene una derivada que es igual a \(3x^2\)? Una de esas funciones es \(y=x^3\), por lo que esta función se considera una solución de una ecuación diferencial.

Ecuación diferencial separable

El objetivo aquí era resolver la ecuación, lo que significaba encontrar el valor (o los valores) de la variable que hace que la ecuación sea verdadera. Por ejemplo, x = 2 es la solución de la primera ecuación porque sólo cuando se sustituye la variable x por 2 la ecuación se convierte en una identidad (ambos lados de la ecuación son idénticos cuando y sólo cuando x = 2).

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En general, cada tipo de ecuación algebraica tenía su propio método de solución; las ecuaciones cuadráticas se resolvían por un método, las ecuaciones que implicaban valores absolutos por otro, y así sucesivamente. En cada caso, se presentaba una ecuación (o surgía de un problema de palabras) y se empleaba un método determinado para llegar a la solución, un método apropiado para la ecuación en cuestión.

Estas mismas ideas generales se trasladan a las ecuaciones diferenciales, que son ecuaciones en las que intervienen las derivadas. Hay diferentes tipos de ecuaciones diferenciales, y cada tipo requiere su propio método de solución. Las ecuaciones diferenciales más simples son las de la forma y′ = ƒ( x). Por ejemplo, consideremos la ecuación diferencial

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