Ecuaciones reducibles a lineales

A la ecuación de la forma
$$\frac{dy}{dx}  + P(x) y  =  f(x)\ y^n\qquad \qquad (1)$$
Con $n \not=  0, 1$, ya que en el caso de $n = 0$  tenemos una ecuación diferencial lineal de primer orden y si $n = 1$ se tiene una ecuación lineal homogénea ya que, $$\frac{dy}{dx}  + P(x) y  =  f(x)\ y  $$$$\frac{dy}{dx}  + [ P(x)   - f(x) ]\ y  =  0  $$.
A la ecuación (1) se le conoce como la Ecuación de Bernouolli, donde, como siempre, $P(x)$   y   $f(x)$
Para empezar hacer esta ecuación lineal, procederemos a dividir la ecuación por $y^{\textbf - n}$.  ¿ La razón ?, recordemos que para que nuestra función sea lineal, debemos tener, entre otras cosas, que el lado de la ecuación sea una función que dependa exclusivamente de $x$ por lo que tenemos que pasar al lado contrario de la igualdad  $y^n$
$$y^{\textbf - 1}\frac{dy}{dx}  +  P(x) y^{1\ \textbf - \ n}  =  f(x)\qquad \qquad \qquad (2)$$Ya tenemos en el lado derecho de la ecuación diferencial una función que depende de solo la variable independiente $x$, pero, el factor de $P(x)$ debe tener la variable dependiente con exponente 1, pero el que tiene es $1 - n$ por lo que tentativamente, podemos resolver en la mayoría de los casos esta situación con un cambio de variable.  Así que el cambio será el siguiente
$$z = y^{1 - n}$$
Y necesitaremos obviamente su derivada
$$\frac{dz}{dx}  =  (1 - n)\ y^{\ \textbf - 1}\ \frac{dy}{dx}$$De donde
$$\frac{dy}{dx}  =  \frac{1}{(1\ \textbf - \ n)\ y^{\ \textbf - n }}\frac{dz}{dx}$$
Sustituyendo estos resultado en (2) tendremos
$$y^{\ \textbf - 1}\Big( \frac{1}{(1\ \textbf - \ n)\ y^{\ \textbf - n }}\frac{dz}{dx}   \Big)  +  P(x)\ z  =  f(x)$$Y como podemos observar, ya se tiene una ecuación diferencial lineal que puede ser resuelta por alguno de los métodos que hemos visto hasta este momento$$\boxed{ \ \ \ \frac{dz}{dx}  +  (1\ \textbf - \ n)\ P(x)\ z  =  (1\ \textbf - \ n)\ f(x)\ \ \ }$$

EJEMPLO 1   Hallar la solución general de la ecuación diferencial
$$y'  +  2y  =  e^x\ y^2$$
SOLUCIÓN  1
Empezamos dividiendo la ecuación diferencial por $y^2$  0 multiplicando por $y^{\textbf - 2}$
$$y^{\textbf - 2}\ y'  + 2\ y\ y^{\textbf - 2}  =  e ^x\ y^2\ y^{\textbf - 2}$$$$y^{\textbf - 2}\ y'  + 2\ y^{\textbf - 1}  =  e ^x \qquad \qquad \qquad (3)$$
Observando la ecuación anterior, vemos que el cambio de variable será $$z(x)  =  y^{\textbf - 1}(x)$$  y derivando $$\frac{dz}{dx}  =  \textbf -\ y^{\textbf - 2}\ \frac{dy}{dx}$$de donde$$\frac{dy}{dx}  =  \textbf -\  \frac{1}{y^{\textbf - 2}}\ \frac{dz}{dx}$$ Y sustituyendo estos resultados en (3)
$$y^{\textbf - 2}\ \Big( \textbf -\  \frac{1}{y^{\textbf - 2}}\ \frac{dz}{dx}  \Big)  + 2\ z  =  e ^x $$$$\frac{dz}{dx} \  \textbf -\  2\ z  =  \textbf -\ e ^x \qquad \qquad \qquad (4)$$
Resolveremos esta ecuación usando el FI, considerando que $P(x)  =  - 2$
$$\mu (x)  =  e^{\int (\textbf - 2) dx } =  e^{\textbf - 2x}$$Ahora multiplicamos (4)  por $e^{\textbf - 2x}$
$$e^{\textbf - 2x}\ \frac{dz}{dx} \  \ \textbf -\ \  e^{\textbf - 2x}\  2\ z  =  \textbf -\ e^{\textbf - 2x}\  e ^x$$$$e^{\textbf - 2x}\ dz\  \textbf -\ \  e^{\textbf - 2x}\  2\ z\ dx  =  \textbf -\ e^{\textbf - x}\ dx$$Y podemos comprobar que el diferencial total es
$$d(z\ e^{\textbf - 2x})  =  \textbf -\ e^{\textbf - x}\  dx$$E integrando tenemos$$\int d(z\ e^{\textbf - 2x})  =  \int (\textbf -\ e^{\ \textbf -\ x})\ dx  +  c$$$$z\ e^{\textbf - 2x}  =  e^{\ \textbf -\ x}  +  c$$Y regresando a la variable original;  $z  =  y^{\ \textbf -\ 1} = \frac{1}{y}$
$$\frac{1}{y}\ e^{\textbf - 2x}  =  e^{\ \textbf -\ x}  +  c$$Y multiplicando la igualdad por   $e^{2x}$
$$\frac{1}{y}\ e^{\textbf - 2x}\ e^{2x}  =  e^{\ \textbf -\ x}\ e^{2x}  +  c\ e^{2x}$$$$\frac{1}{y}  =   e^x  +  c\ e^{2x}$$$$\boxed{\ \ \ 1  = y(\  e^x  +  c\ e^{2x}\ ) \ \ \ }$$



TAREA  6    Para del jueves 23 de febrero del 2018 para el 27 de febrero del 2018 
ECUACIONES DE BERNOULLI 

Resolver los siguiente problemas

1.   $2y'  - \frac{x}{y}  =  \frac{xy}{x^2\  -\  1}$

2.   $(2x^2yLn|y| - x)y'  =  y$

3.   $y' -  \frac{2xy}{x^2\  + \ 1} - \frac{4\sqrt{y}}{\sqrt{x^2 \ + \ 1}}\  arctg(x)  =  0$

4.   $y'  -  \frac{y}{x  -  1} -  \frac{y^2}{x  -  1} =  0$

5.   $ydx  +  [x\ + \  (xy)^2  ]dy  =  0$

6.   $2\ sen x \cdot y'  +  y\ cos x  =  y^3  (x\ cos x  - sen x)$

7.   $y'  =  \frac{1}{x\ sen y\ +\ 2\ sen 2y}$

1 comentario :

  1. Muy bonito estas clases, felicitaciones. La solución de la tarea 6 sería posible encontrarlas, para verificar mi procedimiento, gracias.

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