En este caso vamos a solucionar la ecuación diferencial para un oscilador armónico unidimensional que solo tiene el movimiento en el eje x, y su ecuación diferencial es la siguiente:
¨x+ω2x=0
Podemos ver que la ecuación corresponde a una ecuación diferencial homogénea, así que proponemos una solución de la forma x=emt y hallamos sus derivadas ˙x=memt, ¨x=m2emt, reemplazamos en nuestra ecuación diferencial:
m2emt+ω2emt=0
Sacando factor común emt:
emt(m2+ω2)=0
Donde emt no puede ser cero, entonces lo será el termino entre parentesis y hallamos sus respectivas raíces:
m2+ω2=0
Donde las soluciones son imaginarias y corresponden a:
m1=iωm−2=−iω
La solución queda expresada como:
x(t)=eiωt+e−iωt
Aplicamos la identidad de Euler para simplificar mas elegante esta solución:
eiθ=cosθ+isenθ
Nos queda ahora expresada así la solución:
x(t)=c1cos(ωt)+c2sen(ωt)
Multiplicamos por 1 de la siguiente forma:
x(t)=Ac1Acos(ωt)+Ac2Asen(ωt)
Sí A=√c21+c22, podemos relacionar las contantes con el siguiente triángulo (Así lo definen en el libro de Ecuaciones Diferenciales con aplicaciones de Zill, segunda edición)
Así podemos deducir las siguientes razones trigonométricas respecto al angulo ϕ:
senϕ=c1√c21+c22
cosϕ=c2√c21+c22
Así la solución toma esta nueva forma:
x(t)=Asen(ϕ)cos(ωt)+Acos(ϕ)sen(ωt)
Si sacamos factor común A, correspondera a la identidad para ángulo doble del seno, así llegamos a expresar la solución como:
x(t)=Asen(ωt+ϕ)
m2emt+ω2emt=0
Sacando factor común emt:
emt(m2+ω2)=0
Donde emt no puede ser cero, entonces lo será el termino entre parentesis y hallamos sus respectivas raíces:
m2+ω2=0
Donde las soluciones son imaginarias y corresponden a:
m1=iωm−2=−iω
La solución queda expresada como:
x(t)=eiωt+e−iωt
Aplicamos la identidad de Euler para simplificar mas elegante esta solución:
eiθ=cosθ+isenθ
Nos queda ahora expresada así la solución:
x(t)=c1cos(ωt)+c2sen(ωt)
Multiplicamos por 1 de la siguiente forma:
x(t)=Ac1Acos(ωt)+Ac2Asen(ωt)
Sí A=√c21+c22, podemos relacionar las contantes con el siguiente triángulo (Así lo definen en el libro de Ecuaciones Diferenciales con aplicaciones de Zill, segunda edición)
Así podemos deducir las siguientes razones trigonométricas respecto al angulo ϕ:
senϕ=c1√c21+c22
cosϕ=c2√c21+c22
Así la solución toma esta nueva forma:
x(t)=Asen(ϕ)cos(ωt)+Acos(ϕ)sen(ωt)
Si sacamos factor común A, correspondera a la identidad para ángulo doble del seno, así llegamos a expresar la solución como:
x(t)=Asen(ωt+ϕ)
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