Ir al contenido principal

¿Cómo resolver una ecuación diferencial de primer orden por el método de separación de variables? 1

En este caso después de no publicar hace un poco de tiempo, vengo a mostrarles la solución al ejercicio 14 de separación de variables del libro de Ecuaciones diferenciales con aplicaciones 2da edición, del autor Dennis G. Zill.
La ecuación diferencial a resolver es la siguiente:
\[e^{x}y\frac{dy}{dx}=e^{-y}+e^{-2x-y}\]
Separando el exponente $e^{-2x-y}=e^{-2x}e^{-y}$, podemos sacar factor común $e^{-y}$
\[e^{x}y\frac{dy}{dx}=e^{-y}(1+e^{-2x})\]
Dividiendo por $e^{-y}$ y $e^{x}$ en ambos lados:
\[e^{y}y\frac{dy}{dx}=\frac{1+e^{-2x}}{e^{x}}\]
Separamos la división:
\[e^{y}y\frac{dy}{dx}=\frac{1}{e^{x}}+\frac{e^{-2x}}{e^{x}}\]
Recordamos que $\frac{1}{e^{x}}=e^{-x}$ y $\frac{e^{-2x}}{e^{x}}=e^{-3x}$ por reglas de exponentes:
\[e^{y}y\frac{dy}{dx}=e^{-x}+e^{-3x}\]
Luego es posible realizar la separación de variables:
\[e^{y}ydy=(e^{-x}+e^{-3x})dx\]
Integramos y obtenemos la respuesta a la ecuación diferencial propuesta:
\[\int e^{y}ydy=\int (e^{-x}+e^{-3x})dx\]
La integral por partes de la primera expresión a la izquierda es:
\[\int  e^{y}ydy=e^{y}(y-1)+C_{1}\]
La integral por sustitución para la expresión a la derecha es:
\[\int (e^{-x}+e^{-3x})dx=-e^{-x}\left(1+\frac{1}{3}e^{-2x}\right)+C_{2}\]
Finalmente la solución a nuestra ecuación diferencial es:
\[e^{y}(y-1)+C_{1}=-e^{-x}\left(1+\frac{1}{3}e^{-2x}\right)+C_{2}\]
\[e^{y}(y-1)=-e^{-x}\left(1+\frac{1}{3}e^{-2x}\right)+C_{2}-C_{1}\]
\[e^{y}(y-1)=-e^{-x}\left(1+\frac{1}{3}e^{-2x}\right)+K\]
Donde $K=C_{2}-C_{1}$

Comentarios

Entradas populares de este blog

Demostración ecuación diferencial lineal homogénea de segundo orden con Wronskiano

En esta ocasión, vengo a mostrarles la solución del problema 47 de ecuaciones diferenciales de segundo orden homogeneas del libro de  Ecuaciones diferenciales con aplicaciones 2da edición,  del autor  Dennis G. Zill. El problema es el siguiente: Sean $y_{1}$ y $y_{2}$ dos soluciones de: \[a_{2}(x)y''+a_{1}(x)y'+a_{0}y=0\] (a) Sí $W(y_{1},y_{2})$ es el wronskiano de $y_{1}$ y $y_{2}$, demuestre que \[a_{2}(x)\frac{dW}{dx}+a_{1}(x)W=0\] Como $y_{1}$ y $y_{2}$ son soluciones de la ecuación diferencial homogénea de segundo orden, luego también deben ser soluciones de las ecuaciones diferenciales: \[a_{2}(x)y_{1}''+a_{1}(x)y_{1}'+a_{0}y_{1}=0\] \[a_{2}(x)y_{2}''+a_{1}(x)y_{2}'+a_{0}y_{2}=0\] El wronskiano es de la forma: \[W(y_{1},y_{2})=\begin{vmatrix}y_{1} & y_{2}\\y_{1}' & y_{2}'\end{vmatrix}\] \[W(y_{1},y_{2})=y_{1}y_{2}'-y_{2}y_{1}'\] La derivada del Wronskiano es: \[\frac{dW}{dx}=(y_{1}y_{2}')'-(y_{2}y_{1}')'\...

¿Cómo son las integrales del tipo arcoseno o arcocoseno?

Del curso de Cálculo Integral aprendemos que las integrales de tipo arcoseno u arcocoseno son de la forma: \[\int \frac{du}{\sqrt{1-u^{2}}}=arcsen(u)\] ó \[\int -\frac{du}{\sqrt{1-u^{2}}}=arccos(u)\] Hasta es posible ver dicha integral de un poco más complicada sin importar que sea positiva (arcoseno) u negativa (arcocoseno): \[\int \pm \frac{f'(u)du}{\sqrt{1-[f(u)]^{2}}}\] Sólo en esos casos podemos conocer algunas integrales que podemos resolver, pero existen otras integrales que con un cambio de variable, u organización de términos especifico, puede darnos en términos de arcoseno u arcocoseno, un ejemplo puede ser el siguiente: \[\int \frac{du}{\sqrt{a^{2}-u^{2}}}\] Acá simplemente dentro de la raíz cuadrada debemos dejarlo de la forma: 1-término al cuadrado para que nos quede fácil de identificar, y así se pueda hacer fácil la integración: \[\int \frac{du}{\sqrt{a^{2}\left(1-\frac{u^{2}}{a^{2}}\right)}}\] El término $a^{2}$, sale de la raíz cuadrada como $a$,  \[\frac{1}{a}\int...

¿Cuál es la integral de arcotangente?

Nuestro problema ahora es hallar la integral a la función arcotangente: \[\int arctan(w)dw\] Debemos aplicar integración por partes: Uniforme de Vaca es para Una Vaca Vestida de Uniforme : \[\int UdV=UV-\int VdU\] Acá $U=arctan(w)$, su derivada es: $dU=\frac{1}{1+w^{2}}$, y $dV=dw$, su integral es: $V=w$, aplicamos de acuerdo a la integración por partes: \[\int arctan(w)dw=w \cdot arctan(w)-\int \frac{w}{1+w^{2}}dw\] Para la última integral utilizamos una sustitución, sí $p=1+w^{2}$, $dp=2wdw$, entonces $\frac{dp}{2}=wdw$, y la respectiva integral queda como: \[\frac{1}{2}\int \frac{dp}{p}=\frac{1}{2}ln(p)+C\] Deshacemos la sustitución: \[\frac{1}{2}ln(1+w^{2})+C\] Reemplazamos este resultado para obtener el resultado de la integral arcotangente: \[\int arctan(w)dw=w \cdot arctan(w)-\frac{1}{2}ln(1+w^{2})+C\] Finalmente obteniendo el resultado deseado.