jueves, 17 de julio de 2014

VI. ECUACIONES DIFERENCIALES CON COEFICIENTES VARIABLES 1.- La ecuación de Cauchy – Euler




Hay ecuaciones con coeficientes variables que pueden transformarse mediante cambio de variables, en ecuaciones con coeficientes constantes. Entre ellos están las ecuaciones de Euler  o  Cauchy-Euler.
En el caso homogéneo, de segundo orden, se trata de la ecuación:
 


 donde  a0, a1, a2  son constantes reales y  a0 ¹ 0.
Se verifica:
“El cambio   reduce la ecuación (3) a una ecuación diferencial lineal con coeficientes constantes”.
En efecto :
Suponiendo  x > 0, se hace         ó      t = ln x.
Entonces :   
               
Sustituyendo en  (3) :   
         
Es decir:     
                                 (4)
ecuación diferencial lineal con coeficientes constantes.
Una vez resuelta esta ecuación, se deshace el cambio.




Notas :
a)      El intervalo en el que se aplica el teorema de existencia y unicidad, es cualquier I que no contenga x = 0.
b)      Se ha supuesto en lo anterior que  x > 0. Si  x < 0  se hace  x = - et. Si  y(x) es una solución de la ecuación de Euler homogénea para x > 0, lo es y(-x) para x < 0.
c)      La ecuación                      a0(ax + b)2 y’’+ a1(ax + b)y’ + a2y = 0,            también se transforma, mediante       en una ecuación con coeficientes constantes.

Por tanto :

Caso 1:   Si la ecuación característica de (4) tiene dos raíces reales r1  y  r2 distintas, la solución de (4) es:         y(t) = C1 + C2 .
Luego la solución general de (3) es :              y(x) =
Caso 2:   Si la ecuación característica de (4) tiene una raíz doble  r1  la solución de (4) es :             .
Luego la solución general de  (3) es :            .
Caso 3:   Si la ecuación característica de (4) tiene las raíces complejas  a ± ib , la solución  de (4) es:    y(t) = eat [C1 cos bt + C2 sen bt].
Luego la solución general de (3) es :             y = |x|a [C1 cos (bln|x|) +C2 sen (bln|x|].

EJEMPLO:
Resolver la ecuación diferencial:       3x2 y’’ –  4x y’ + 2y = 0.

Para  x > 0        se hace   x = et     ó     t = ln x
.
En la ecuación diferencial : 
  .
Ecuación característica :     3r2 – 7 r + 2 = 0   Þ    r1 = 2,   r2 = 1/3.
Luego                                     y(t) = C1 e2t + C2 e (t/3).

Por tanto :                              y(x) = C1 x2 + C2 |x|(1/3)       x ¹ 0.