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Equações DiferenciaisTRANSCRIPT
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Equacoes Diferenciais Lineares de 2a. Ordem
e a Transformada de Laplace
Reginaldo J. Santos
Departamento de Matematica-ICEx
Universidade Federal de Minas Gerais
http://www.mat.ufmg.br/~regi
19 de fevereiro de 2003
Sumario
1 Equacoes Homogeneas 3
1.1 Solucoes Fundamentais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Formula de Euler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 Obtendo uma Segunda Solucao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2 Eqs. Homogeneas com Coeficientes Constantes 11
2.1 A Equacao Caracterstica Tem Duas Razes Reais . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 A Equacao Caracterstica Tem Duas Razes Complexas . . . . . . . . . . . 12
2.3 A Equacao Caracterstica Tem Somente Uma Raiz Real . . . . . . . . . . . 14
3 Equacoes nao Homogeneas 15
3.1 Eqs. Lineares nao Homogeneas com Coeficientes Constantes . . . . . . . . 17
4 Equacoes com Coeficientes nao Constantes 22
4.1 Substituicoes em Equacoes de 2a. Ordem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.1.1 Equacoes que nao Contem y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.1.2 Equacoes que nao Contem t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1
http://www.mat.ufmg.br/~regi
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2 SUMARIO
4.1.3 Equacoes de Euler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.2 Solucoes em Series de Potencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
5 Exerccios sobre Solucoes em Series de Potencias 26
6 Transformada de Laplace 40
6.1 Introducao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
6.2 Tabela de Transformadas de Laplace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6.3 Solucao de Problemas de Valor Inicial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
6.4 Equacoes com o Termo nao Homogeneo Descontnuo . . . . . . . . . . . . 48
6.5 Transformada de Laplace do Delta de Dirac . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.6 Convolucao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
7 Exerccios sobre Transformada de Laplace 56
Equacoes Diferenciais Lineares de 2a. Ordem 19 de fevereiro de 2003
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3
1 Equacoes Homogeneas
Uma equacao diferencial linear de 2a. ordem e homogenea se ela pode ser escrita como
d2y
dt2+ p(t)
dy
dt+ q(t)y = 0. (1)
Para as equacoes lineares homogeneas e valido o princpio da superposicao que diz
que se y1(t) e y2(t) sao solucoes da equacao (1), entao para quaisquer numeros c1 e c2,
y(t) = c1y1(t) + c2y2(t) (2)
tambem o e. Vamos verificar que realmente y(t) dado por (2) e solucao de (1).
d2y
dt2+ p(t)
dy
dt+ q(t)y =
d2
dt2(c1y1 + c2y2) +
p(t)d
dt(c1y1 + c2y2) + q(t) (c1y1 + c2y2)
= c1d2y1dt2
+ c2d2y2dt2
+ c1p(t)dy1dt
+ c2p(t)dy2dt
+ c1q(t)y1 + c2q(t)y2
= c1
(d2y1dt2
+ p(t)dy1dt
+ q(t)y1
)
+ c2
(d2y2dt2
+ p(t)dy2dt
+ q(t)y2
)
= c1 0 + c2 0 = 0,
pois y1(t) e y2(t) sao solucoes de (1). Mostramos o seguinte teorema.
Teorema 1 (Princpio da Superposicao). Se y1(t) e y2(t) sao solucoes de (1), entao,
para todos numeros c1 e c2, y(t) = c1y1(t) + c2y2(t) tambem o e.
1.1 Solucoes Fundamentais
Considere, agora, o problema de valor inicial
d2y
dt2+ p(t)
dy
dt+ q(t)y = 0,
y(t0) = y0,y(t0) = y
0
(3)
19 de fevereiro de 2003 Reginaldo J. Santos
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4 1 EQUACOES HOMOGENEAS
em que y0 e y
0 sao condicoes iniciais dadas no problema.
Vamos determinar condicoes sobre as solucoes y1(t) e y2(t) para que existam constantes
c1 e c2 tais que y(t) = c1y1(t) + c2y2(t) seja solucao do problema de valor inicial (3).
Substituindo-se t = t0 na solucao y(t) = c1y1(t) + c2y2(t) e na derivada de y(t), y(t) =
c1y
1(t) + c2y
2(t) obtemos o sistema de equacoes lineares
{c1y1(t0) + c2y2(t0) = y0c1y
1(t0) + c2y
2(t0) = y
0
que pode ser escrito na forma
AX = B
em que
A =
[y1(t0) y2(t0)y1(t0) y
2(t0)
]
, X =
[c1c2
]
e B =
[y0y0
]
.
Se a matriz do sistema A e invertvel, entao o sistema tem solucao para todo par y0
e y0 (ou todo B) (A solucao e X = A1B)(ver, por exemplo, na pagina 86 de [3]). Mas
uma matriz quadrada e invertvel se, e somente se, o seu determinante e diferente de zero
(ver, por exemplo, na pagina 116 de [3]). Ou seja, se
det
[y1(t0) y2(t0)y1(t0) y
2(t0)
]
6= 0,
entao existem constantes c1 e c2 tais que y(t) = c1y1(t) + c2y2(t) e solucao do problema
de valor inicial (3). Provamos o seguinte resultado.
Teorema 2. Sejam y1(t) e y2(t) duas solucoes da equacao (1) tais que, em um ponto
t0 R,det
[y1(t0) y2(t0)y1(t0) y
2(t0)
]
6= 0.
Entao o problema de valor inicial
d2y
dt2+ p(t)
dy
dt+ q(t)y = 0,
y(t0) = y0,y(t0) = y
0
Equacoes Diferenciais Lineares de 2a. Ordem 19 de fevereiro de 2003
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1.1 Solucoes Fundamentais 5
tem solucao na forma
y(t) = c1y1(t) + c2y2(t)
para todas as condicoes iniciais dadas y0 e y
0.
O determinante
W [y1, y2](t0) = det
[y1(t0) y2(t0)y1(t0) y
2(t0)
]
e chamado wronskiano das funcoes y1(t) e y2(t) em t0. Se as solucoes y1(t) e y2(t) sao tais
que o seu wronskiano e diferente de zero em um ponto t0 dizemos que elas sao solucoes
fundamentais de (1) e que
y(t) = c1y1(t) + c2y2(t)
e a solucao geral de (1). Assim para encontrar a solucao geral de uma equacao diferencial
linear homogenea de 2a. ordem (1) precisamos encontrar duas solucoes fundamentais da
equacao (1), ou seja, duas solucoes y1(t) e y2(t) tais que em um ponto t0 R
det
[y1(t0) y2(t0)y1(t0) y
2(t0)
]
6= 0.
Exemplo 1. Seja b um numero real nao nulo. Vamos mostrar que y1(t) = cos bt e
y2(t) = sen bt sao solucoes fundamentais da equacao
y + b2y = 0.
Como y1(t) = b sen bt, y1(t) = b2 cos bt, y2(t) = b cos bt e y2(t) = b2 sen bt, entao
y1 + b2y1 = b2 cos bt + b2 cos bt = 0
e
y2 + b2y2 = b2 sen bt + b2 sen bt = 0.
Assim, y1(t) e y2(t) sao solucoes da equacao y + b2y = 0. Alem disso,
det
[y1(t) y2(t)y1(t) y
2(t)
]
= det
[cos bt sen bt
b sen bt b cos bt
]
= b(cos2 bt + sen2 bt) = b 6= 0.
Portanto, y1(t) = cos bt e y2(t) = sen bt sao solucoes fundamentais de y + b2y = 0.
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6 1 EQUACOES HOMOGENEAS
Dizemos que duas funcoes y1(t) e y2(t) sao linearmente dependentes (L.D.) em
um intervalo I, se uma das funcoes e um multiplo escalar da outra, ou seja, se
y1(t) = y2(t) ou y2(t) = y1(t), para todo t I.
Caso contrario, dizemos que elas sao linearmente independentes (L.I.).
Se duas funcoes sao L.D. em um intervalo I, entao
W [y1, y2](t) = det
[y1(t) y2(t)y1(t) y
2(t)
]
= 0, para todo t I
pois uma coluna e um multiplo escalar da outra. Assim, vale o seguinte resultado
Teorema 3. Se y1(t) e y2(t) sao funcoes tais que
W [y1, y2](t0) = det
[y1(t0) y2(t0)y1(t0) y
2(t0)
]
6= 0, para algum t0 I,
entao y1(t) e y2(t) sao linearmente independentes (L.I.) em I.
1.2 Formula de Euler
Vamos definir a funcao exponencial f(t) = ert para numeros complexos r = a + ib de
forma que satisfaca as propriedades
e(a+ib)t = eateibt (4)
d
dt
(ert
)= rert (5)
Observe que a funcao g(t) = eibt e solucao da equacao y + b2y = 0, pois pela proprie-
dade (5) g(t) = ibeibt, g(t) = b2eibt e g(t) + b2g(t) = b2eibt + b2eibt = 0.Assim, g(t) = eibt e solucao do problema de valor inicial
{y + b2y = 0,y(0) = 1, y(0) = ib
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1.2 Formula de Euler 7
Agora, como mostramos no Exemplo 1 que y1(t) = cos bt e y2(t) = sen bt sao solucoes
fundamentais de y + b2y = 0, entao pelo Teorema 2 existem constantes c1 e c2 tais que
g(t) = eibt = c1 cos bt + c2 sen bt. (6)
Vamos determinar estas constantes c1 e c2. Substituindo-se t = 0 na equacao (6) obtemos
que c1 = 1. Derivando a equacao (6) em relacao a t obtemos
ibeibt = c1b sen bt + c2b cos bt. (7)
Substituindo-se t = 0 na equacao (7) obtemos que c2 = i. Assim substituindo-se c1 = 1
e c2 = i ja obtidos na equacao (6) obtemos que eibt = cos bt + i sen bt. Portanto, pela
propriedade (4),
e(a+ib)t = eat(cos bt + i sen bt). (8)
Esta equacao e conhecida como formula de Euler.
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8 1 EQUACOES HOMOGENEAS
1.3 Obtendo uma Segunda Solucao
Considere uma equacao linear de 2a. ordem homogenea
d2y
dt2+ p(t)
dy
dt+ q(t)y = 0. (9)
Seja y1(t) uma solucao conhecida da equacao acima num intervalo I tal que y1(t) 6= 0para todo t I. Vamos procurar uma segunda solucao da equacao da forma
y(t) = v(t)y1(t).
Como
y(t) = vy1 + y1v e y(t) = vy1 + 2y
1v + y1v
,
entao y(t) e solucao da equacao se, e somente se,
y + p(t)y + q(t)y = y1v + v(2y1 + p(t)y1) + v(y
1 + p(t)y
1 + q(t)y1) = 0.
Como y1(t) e solucao da equacao (9), entao
y1v + v(2y1 + p(t)y1) = 0. (10)
Seja w(t) = v(t). Entao a equacao (10) pode ser escrita como
y1w + (2y1 + p(t)y1)w = 0.
Esta e uma equacao de 1a. ordem separavel.
w
w+
2y1 + p(t)y1y1
= 0
d
dt
(
ln |w| + 2 ln |y1| +
p(t)dt
)
= 0
lnwy21
+
p(t)dt = C
w(t) = v(t) = C1e
p(t)dt
y1(t)2
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1.3 Obtendo uma Segunda Solucao 9
Resolvendo a equacao para v(t):
v(t) = C1
e
p(t)dt
y1(t)2dt + C2
y(t) = v(t)y1(t) = c1y1(t)
e
p(t)dt
y1(t)2dt + c2y1(t)
Tomando-se C2 = 0 e C1 = 1 obtemos uma segunda solucao da equacao (9)
y2(t) = y1(t)
e
p(t)dt
y1(t)2dt (11)
Vamos ver que y1(t) dada e y2(t) obtida por (11) sao solucoes fundamentais da
equacao (9).
W [y1, y2](t) = det
[y1(t) y2(t)y1(t) y
2(t)
]
= det
[
y1(t) y1(t)
e
p(t)dt
y1(t)2dt
y1(t) y
1(t)
e
p(t)dt
y1(t)2dt + e
p(t)dt
y1(t)
]
= e
p(t)dt 6= 0
Assim se y1(t) e uma solucao conhecida da equacao (9) e y2(t) e dada por (11) entao
y(t) = c1y1(t) + c2y2(t)
e solucao geral da equacao (9).
Atencao: Nao se deve memorizar a formula obtida para y2(t). O que fizemos aqui foi
mostrar o caminho que deve ser seguido para encontrar uma segunda solucao da equacao
linear homogenea de 2a. ordem.
No proximo exemplo vamos seguir os mesmos passos que seguimos no caso geral.
Exemplo 2. Considere a equacao
ay + by + cy = 0 tal que b2 4ac = 0
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10 1 EQUACOES HOMOGENEAS
Deixamos como exerccio verificar que y1(t) = ert, em que r =
b2a
e uma solucao da
equacao acima. Vamos procurar uma segunda solucao da forma
y(t) = v(t)y1(t) = v(t)ert.
Como
y(t) = v(t)ert + rv(t)ert e y(t) = v(t)ert + 2rv(t)ert + r2v(t)ert
entao y(t) e solucao da equacao se, e somente se,
ay + by + cy = a(v +2rv +r2v)+ b(vrv)+ cv = av +(2ar+ b)v +(ar2 + br+ c) = 0.
Como r e solucao da equacao ar2 + br + c = 0, entao
v(t) = 0.
Seja w(t) = v(t). Entao a equacao v(t) = 0 torna-se w(t) = 0 que tem solucao w(t) =
C1. Resolvendo a equacao v(t) = w(t) = C1 obtemos
v(t) = C1t + C2 e y(t) = (C1t + C2)ert.
Tomando-se C2 = 0 e C1 = 1 obtemos
y2(t) = tert.
Vamos ver que y1(t) = ert e y2(t) = te
rt, em que r = b2a
, sao solucoes fundamentais da
equacao
det
[y1(t) y2(t)y1(t) y
2(t)
]
= det
[ert tert
rert (1 + rt)ert
]
= e2rt det
[1 tr (1 + rt)
]
= e2rt 6= 0, para todo t R.
Assim
y(t) = c1ert + c2te
rt, em que r = b2a
e a solucao geral da equacao ay + by + cy = 0, tal que b2 4ac = 0.
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11
2 Eqs. Homogeneas com Coeficientes Constantes
Vamos tratar de equacoes da forma
ad2y
dt2+ b
dy
dt+ cy = 0. (12)
em que a, b e c sao numeros reais, a 6= 0. Vamos descobrir se existem valores constantesde r tais que y(t) = ert e uma solucao de (12). Substituindo-se y = ert,
dy
dt= rert e
d2y
dt2= r2ert em (12) obtemos
ar2ert + brert + cert = (ar2 + br + c)ert = 0.
Como ert 6= 0, entao y(t) = ert e solucao de (12) se, e somente se, r e solucao da equacao
ar2 + br + c = 0 (13)
que e chamada equacao caracterstica de (12).
2.1 A Equacao Caracterstica Tem Duas Razes Reais
Se a equacao caracterstica de (12) tem duas razes reais (distintas), r1 e r2, entao
y1(t) = er1t e y2(t) = e
r2t
sao solucoes fundamentais, pois
det
[y1(t) y2(t)y1(t) y
2(t)
]
= det
[er1t er2t
r1er1t r2e
r2t
]
= er1ter2t det
[1 1r1 r2
]
= (r2 r1)e(r1+r2)t 6= 0, para todo t R.
Assim no caso em que a equacao caracterstica tem duas razes reais distintas r1 e r2,
y(t) = c1er1t + c2e
r2t
e a solucao geral de (12).
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12 2 EQS. HOMOGENEAS COM COEFICIENTES CONSTANTES
Exemplo 3. Seja um numero real positivo. Vamos encontrar a solucao geral da
equacao
y 2y = 0.
A equacao caracterstica desta equacao diferencial e
r2 2 = 0
que tem como razes r1 = e r2 = . Assim, a solucao geral da equacao diferencialacima e
y(t) = c1et + c2e
t.
2.2 A Equacao Caracterstica Tem Duas Razes Complexas
Se a equacao caracterstica de (12) tem duas razes complexas, entao elas sao numeros
complexos conjugados, ou seja, se r1 = + i e uma raiz da equacao caracterstica (13),
entao a outra raiz e r2 = i. Neste caso, pela formula de Euler (8):
y1(t) = er1t = e(+i)t = et(cos t + i sen t) e
y2(t) = er2t = e(i)t = et(cos(t) + i sen (t)) = et(cos t isen t)
sao solucoes complexas da equacao diferencial (12).
Vamos encontrar um conjunto fundamental de solucoes reais. Pelo Teorema 1 na
pagina 3 se y1(t) = er1t e y2(t) = e
r2t sao solucoes de uma equacao diferencial linear
homogenea, entao para quaisquer numeros c1 e c2, y(t) = c1y1(t) + c2y2(t), tambem e
solucao. Em particular tomando c1 = c2 = 1/2, temos que
u(t) = c1y1(t) + c2y2(t) =1
2er1t +
1
2er2t
=1
2
[et(cos t + i sen t) + et(cos t i sen t)
]= et cos t
e solucao de (12). Tomando c1 =1
2ie c2 =
1
2i, temos que
v(t) = c1y1(t) + c2y2(t) =1
2ier1t 1
2ier2t
=1
2i
[et(cos t + i sen t) et(cos t i sen t)
]= et sen t
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2.2 A Equacao Caracterstica Tem Duas Razes Complexas 13
tambem e solucao de (12). Vamos mostrar, agora, que se as razes da equacao carac-
terstica sao complexas, entao u(t) e v(t) sao solucoes fundamentais de (12).
det
[u(t) v(t)u(t) v(t)
]
= det
[et cos t et sen t
et( cos t sen t) et(sen t + cos t)
]
= e2t(
det
[cos t sen tcos t sen t
]
+ det
[cos t sen tsen t cos t
])
= e2t 6= 0, para todo t R.
Assim no caso em que a equacao caracterstica tem duas razes complexas r1 = + i e
r2 = i,y(t) = c1e
t cos t + c2et sen t
e a solucao geral de (12).
Exemplo 4. Seja um numero real positivo. Vamos encontrar a solucao geral da
equacao
y + 2y = 0.
A equacao caracterstica desta equacao diferencial e
r2 + 2 = 0
que tem como razes r1 = i e r2 = i. Assim, a solucao geral da equacao diferencialacima e
y(t) = c1 cos t + c2 sen t.
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14 2 EQS. HOMOGENEAS COM COEFICIENTES CONSTANTES
2.3 A Equacao Caracterstica Tem Somente Uma Raiz Real
Se = b2 4ac = 0, entao a equacao caracterstica (13) tem somente uma raiz realr1 =
b
2a. Neste caso,
y1(t) = er1t
e solucao da equacao diferencial (12).
Vamos mostrar que y2(t) = ter1t 1 tambem e solucao da equacao (12). Como
dy2dt
=
(1 + r1t)er1t e
d2y2dt2
= (2r1 + r21t)e
r1t, entao
ad2y2dt2
+ bdy2dt
+ cy2 = a(2r1 + r21t)e
r1t + b(1 + r1t)er1t + cter1t
= [(b + 2ar1) + (ar21 + br1 + c)t]e
r1t
= (0 + 0t)er1t = 0,
pois b + 2ar1 = b + 2a(b2a
)= 0 e como r1 e raiz da equacao ar
2 + br + c = 0, entao
ar21 + br1 + c = 0.
Assim y2(t) = ter1t e solucao da equacao diferencial (12).
Vamos mostrar que
y1(t) = er1t e y2(t) = te
r1t
sao solucoes fundamentais da equacao diferencial (12).
det
[y1(t) y2(t)y1(t) y
2(t)
]
= det
[er1t ter1t
r1er1t (1 + r1t)e
r1t
]
= e2r1t det
[1 tr1 (1 + r1t)
]
= e2r1t 6= 0, para todo t R.
Portanto no caso em que a equacao caracterstica tem somente uma raz real r1 = b
2a,
y(t) = c1er1t + c2te
r1t
1No Exemplo 2 na pagina 9 mostramos como encontrar esta segunda solucao.
Equacoes Diferenciais Lineares de 2a. Ordem 19 de fevereiro de 2003
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15
e a solucao geral de (12).
3 Equacoes nao Homogeneas
Uma equacao diferencial linear de 2a. ordem e nao homogenea se ela pode ser escrita
comod2y
dt2+ p(t)
dy
dt+ q(t)y = g(t). (14)
em que p(t), q(t) e g(t) sao funcoes contnuas em um intervalo I, com g(t) 6= 0.Se y(t) e uma solucao qualquer de (14) e yp(t) e uma solucao particular de (14), entao
Y (t) = y(t) yp(t) e solucao da equacao homogenea associada
d2y
dt2+ p(t)
dy
dt+ q(t)y = 0. (15)
Pois,
d2Y
dt2+ p(t)
dY
dt+ q(t)Y =
d2
dt2(y(t) yp(t)) + p(t)
d
dt(y(t) yp(t)) + q(t)(y(t) yp(t)) =
(d2y
dt2+ p(t)
dy
dt+ q(t)y
)
(
d2ypdt2
+ p(t)dypdt
+ q(t)yp
)
= g(t) g(t) = 0.
Assim se y1(t) e y2(t) sao solucoes fundamentais da equacao homogenea associada (15),
existem constantes c1 e c2 tais que
Y (t) = y(t) yp(t) = c1y1(t) + c1y2(t),
ou seja, se y(t) e uma solucao qualquer de (14) e y1(t) e y2(t) sao solucoes fundamentais
da equacao homogenea associada (15), entao
y(t) = c1y1(t) + c1y2(t) + yp(t). (16)
Dizemos que (16) e a solucao geral da equacao linear de 2a. ordem nao homogenea (14),
sendo y1(t) e y2(t) solucoes fundamentais da equacao homogenea associada (15) e yp(t)
uma solucao particular.
19 de fevereiro de 2003 Reginaldo J. Santos
-
16 3 EQUACOES NAO HOMOGENEAS
Portanto para encontrar a solucao geral de uma equacao linear de 2a. ordem nao ho-
mogenea precisamos encontrar uma solucao particular e duas solucoes fundamentais da
equacao homogenea correspondente.
Teorema 4 (Princpio da Superposicao para Equacoes nao Homogeneas).
Sejam y(1)p (t) uma solucao de
y + p(t)y + q(t)y = g1(t)
e y(2)p (t) uma solucao de
y + p(t)y + q(t)y = g2(t).
Entao yp(t) = y(1)p (t) + y
(2)p (t) e solucao de
y + p(t)y + q(t)y = g1(t) + g2(t)
Demonstracao.
(y(1)p (t) + y(2)p (t))
+ p(t)(y(1)p (t) + y(2)p (t))
+
+ q(t)(y(1)p (t) + y(2)p (t)) =
= y(1)p (t) + p(t)y(1)p (t)
+ q(t)y(1)p (t)
g1(t)
+
+ y(2)p (t) + p(t)y(2)p (t)
+ q(t)y(2)p (t)
g2(t)
= g1(t) + g2(t)
Equacoes Diferenciais Lineares de 2a. Ordem 19 de fevereiro de 2003
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3.1 Eqs. Lineares nao Homogeneas com Coeficientes Constantes 17
3.1 Eqs. Lineares nao Homogeneas com Coeficientes Constantes
Vamos tratar de equacoes da forma
ad2y
dt2+ b
dy
dt+ cy = g(t). (17)
em que a, b e c sao numeros reais, a 6= 0. Vamos apresentar um metodo de encontrar umasolucao particular das equacoes nao homogeneas chamado metodo dos coeficientes a
determinar que funciona quando a funcao g(t) tem uma das seguintes formas:
(1) g(t) = a0 + . . . + antn, em que a0, . . . , an R.
Neste caso deve-se procurar uma solucao particular da forma:
yp(t) = ts(A0 + . . . + Ant
n)
em que s e o menor inteiro nao negativo que garanta que nenhuma parcela de yp(t)
seja solucao da equacao homogenea correspondente e A0, . . . , An sao coeficientes a
ser determinados substituindo-se yp(t) na equacao (17). O Exemplo 5 ilustra este
caso.
(2) g(t) = (a0 + . . . + antn)ebt, em que a0, . . . , an, b R.
Neste caso deve-se procurar uma solucao particular da forma:
yp(t) = ts(A0 + . . . + Ant
n)ebt
em que s e o menor inteiro nao negativo que garanta que nenhuma parcela de yp(t)
seja solucao da equacao homogenea correspondente e A0, . . . , An sao coeficientes a
ser determinados substituindo-se yp(t) na equacao (17). O Exemplo 6 ilustra este
caso.
(3) g(t) = (a0 + . . . + antn)et cos t + (b0 + . . . + bmt
m)et sen t,
em que a0, . . . , an R e b0, . . . , bm R.Neste caso deve-se procurar uma solucao particular da forma:
yp(t) = ts[(A0 + . . . + Aqt
q)et cos t + (B0 + . . . + Bqtq)et sen t]
19 de fevereiro de 2003 Reginaldo J. Santos
-
18 3 EQUACOES NAO HOMOGENEAS
em que q = max{m,n}, s e o menor inteiro nao negativo que garanta quenenhuma parcela de yp(t) seja solucao da equacao homogenea correspondente e
A0, . . . , Aq, B0, . . . , Bq sao coeficientes a ser determinados substituindo-se yp(t) na
equacao (17). O Exemplo 7 ilustra este caso.
Exemplo 5. Vamos encontrar a solucao geral da equacao
y + y = 2 + t2.
Precisamos encontrar a solucao geral da equacao homogenea correspondente y + y = 0.
A equacao caracterstica e
r2 + r = 0
que tem como razes r1 = 0 e r2 = 1. Assim a solucao geral da equacao homogeneacorrespondente y + y = 0 e
y(t) = c1 + c2et.
O segundo membro da equacao g(t) = 2+ t2 e da forma (1). Vamos procurar uma solucao
particular da forma
yp(t) = t1(A0 + A1t + A2t
2) = A0t + A1t2 + A2t
3
O valor de s e igual a 1, pois para s = 0, a parcela A0 e solucao da equacao homogenea
(c2 = 0 e c1 = A0).
yp(t) = A0 + 2A1t + 3A2t2
yp(t) = 2A1 + 6A2t.
Substituindo yp(t) e y
p(t) na equacao y + y = 2 + t2 obtemos
(2A1 + 6A2t) + (A0 + 2A1t + 3A2t2) = (A0 + 2A1) + (2A1 + 6A2)t + 3A2t
2 = 2 + t2
Comparando os termos de mesmo grau obtemos o sistema linear
A0 + 2A1 = 22A1 + 6A2 = 0
3A2 = 1
Equacoes Diferenciais Lineares de 2a. Ordem 19 de fevereiro de 2003
-
3.1 Eqs. Lineares nao Homogeneas com Coeficientes Constantes 19
que tem solucao A0 = 4, A1 = 1 e A2 = 1/3. Assim uma solucao particular da equacaonao homogenea e
yp(t) = 4t t2 +1
3t3
e a solucao geral da equacao nao homogenea e
y(t) = c1 + c2et + 4t t2 + 1
3t3
Exemplo 6. Vamos encontrar a solucao geral da equacao
y + 2y + y = (2 + t)et.
Precisamos encontrar a solucao geral da equacao homogenea correspondente y +2y+y =
0. A equacao caracterstica e
r2 + 2r + 1 = 0
que tem como raiz r1 = 1. Assim a solucao geral da equacao homogenea correspondentey + 2y + y = 0 e
y(t) = c1et + c2te
t.
O segundo membro da equacao g(t) = (2 + t)et e da forma (2). Vamos procurar uma
solucao particular da forma
yp(t) = t2(A0 + A1t)e
t = (A0t2 + A1t
3)et
O valor de s e igual a 2, pois para s = 0 as parcelas A0et e A1te
t sao solucoes da
equacao homogenea e para s = 1 a parcela A0tet e solucao da equacao homogenea.
yp(t) =(2A0t + (3A1 A0)t2 A1t3
)et
yp(t) =(2A0 + (6A1 4A0)t + (A0 6A1)t2 A1t3
)et.
Substituindo yp(t) e y
p(t) na equacao y + 2y + y = (2 + t)et obtemos
(2A0 + (6A1 4A0)t + (A0 6A1)t2 A1t3
)et +
+ 2(2A0t + (3A1 A0)t2 A1t3
)et +
+ (A0t2 + A1t
3)et = (2 + t)et
19 de fevereiro de 2003 Reginaldo J. Santos
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20 3 EQUACOES NAO HOMOGENEAS
Simplificando o primeiro membro obtemos
(2A0 + 6A1t) et = (2 + t)et 2A0 + 6A1t = 2 + t
Comparando os termos de mesmo grau obtemos o sistema linear{
2A0 = 26A1 = 1
que tem solucao A0 = 1 e A1 = 1/6. Assim uma solucao particular da equacao nao
homogenea e
yp(t) = (t2 +
1
6t3)et
e a solucao geral da equacao nao homogenea e
y(t) = c1et + c2te
t + (t2 +1
6t3)et
Exemplo 7. Vamos encontrar a solucao geral da equacao
y + 2y + 2y = et cos t.
Precisamos encontrar a solucao geral da equacao homogenea correspondente y +2y+2y =
0. A equacao caracterstica e
r2 + 2r + 2 = 0
que tem como razes r1 = 1 + i e r2 = 1 i. Assim a solucao geral da equacaohomogenea correspondente y + 2y + 2y = 0 e
y(t) = c1et cos t + c2e
t sen t.
O segundo membro da equacao g(t) = et cos t e da forma (3). Vamos procurar uma
solucao particular da forma
yp(t) = t0(Aet cos t + Bet sen t) = Aet cos t + Bet sen t
O valor de s e igual a 0, pois nenhuma parcela de yp(t) e solucao da equacao homogenea.
yp(t) = A(et cos t etsen t) + B(etsen t + et cos t+) = (A + B)et cos t + (B A)et sen t
Equacoes Diferenciais Lineares de 2a. Ordem 19 de fevereiro de 2003
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3.1 Eqs. Lineares nao Homogeneas com Coeficientes Constantes 21
yp(t) = 2Bet cos t 2Aet sen t.
Substituindo yp(t) e y
p(t) na equacao y + 2y + y = et cos t obtemos
2Bet cos t 2Aet sen t++ 2
((A + B)et cos t + (B A)et sen t
)+
+ 2(Aet cos t + Bet sen t) = et cos t
Simplificando o primeiro membro obtemos
(4A + 4B)et cos t + (4B 4A)et sen t = et cos t
Comparando os coeficientes de et cos t e de et sen t obtemos o sistema linear
{4A + 4B = 1
4A + 4B = 0
que tem solucao A = 1/8 e B = 1/8. Assim uma solucao particular da equacao naohomogenea e
yp(t) =1
8et cos t +
1
8et sen t
e a solucao geral da equacao nao homogenea e
y(t) = c1et cos t + c2e
t sen t +1
8et(cos t + sen t)
19 de fevereiro de 2003 Reginaldo J. Santos
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22 4 EQUACOES COM COEFICIENTES NAO CONSTANTES
4 Equacoes com Coeficientes nao Constantes
4.1 Substituicoes em Equacoes de 2a. Ordem
4.1.1 Equacoes que nao Contem y
Equacoes que podem ser escritas na forma
y = f(y, t) (18)
podem ser resolvidas fazendo-se a substituicao v(t) = y(t). O que transforma a equacao
(18) em
v f(v, t) = 0
Esta e uma equacao de 1a. ordem. Depois de resolvida esta equacao, resolve-se a equacao
dy
dt= v(t).
4.1.2 Equacoes que nao Contem t
Equacoes que podem ser escritas na forma
y = f(y, y) (19)
podem ser resolvidas fazendo-se a substituicao v(t) = y(t). O que transforma a equacao
emdv
dt= f(v, y)
Se considerarmos v = v(y(t)), entao
dv
dt=
dv
dy
dy
dt= v
dv
dy
E a equacao (19) se transforma em
vdv
dy= f(v, y)
Equacoes Diferenciais Lineares de 2a. Ordem 19 de fevereiro de 2003
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4.1 Substituicoes em Equacoes de 2a. Ordem 23
Depois de resolvida esta equacao resolve-se
dy
dt= v(y)
4.1.3 Equacoes de Euler
As equacoes de Euler sao equacoes que podem ser escritas na forma
t2d2y
dt2+ t
dy
dt+ y = 0. (20)
em que e sao constantes reais. A substituicao x = ln t transforma a equacao de Euler
numa equacao linear com coeficientes constantes.
dy
dt=
dy
dx
dx
dt=
1
t
dy
dx
d2y
dt2=
d
dt
(dy
dt
)
= 1t2
dy
dx+
1
t
d
dt
(dy
dx
)
= 1t2
dy
dx+
1
t
d
dx
(dy
dx
)dx
dt= 1
t2dy
dx+
1
t2d2y
dx2
Substituindo-se na equacao de Euler (20) obtemos a equacao linear com coeficientes cons-
tantesd2y
dx2+ ( 1)dy
dx+ y = 0.
Se y1(x) e y2(x) sao solucoes fundamentais desta equacao, entao
y(t) = c1y1(ln t) + c2y2(ln t)
e a solucao geral da equacao de Euler (20).
19 de fevereiro de 2003 Reginaldo J. Santos
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24 4 EQUACOES COM COEFICIENTES NAO CONSTANTES
4.2 Solucoes em Series de Potencias
Uma serie de potencias de t e uma expressao da forma
n=0
antn = a0 + a1t + a2t
2 + . . . ,
em que a0, a1, a2, . . . sao numeros denominados coeficientes da serie. Podemos definir
uma funcao f(t) que associa a cada valor de t, para o qual existe o limite
limN
N
n=0
antn = lim
N(a0 + a1t + a2t
2 + . . . + aN tN),
o valor deste limite e escrevemos
f(t) =
n=0
antn = a0 + a1t + a2t
2 + . . .
Por exemplo,
f(t) =1
1 t =
n=0
tn = 1 + t + t2 + . . . , para |t| < 1
Sao validas as seguintes propriedades para as series de potencias:
(a) Se f(t) =
n=0
antn e g(t) =
n=0
bntn, entao para todos os numeros e ,
f(t) + g(t) =
n=0
(an + bn)tn.
(b) Se f(t) =
n=0
antn = a0 + a1t + a2t
2 + a3t3 + , entao
f (t) = a1 + 2a2t + 3a3t2 + =
n=0
(n + 1)an+1tn =
n=1
nantn1
f (t) = 2a2 + 2 3t + 3 2t2 + =
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn
=
n=2
n(n 1)antn2 =
n=1
(n + 1)nan+1tn1
Equacoes Diferenciais Lineares de 2a. Ordem 19 de fevereiro de 2003
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4.2 Solucoes em Series de Potencias 25
(c) Se
n=0
antn = 0, entao an = 0, para n = 0, 1, 2, . . ..
Considere uma equacao da forma
P (t)d2y
dt2+ Q(t)
dy
dt+ R(t)y = 0. (21)
em que P (t) e Q(t) sao polinomios tais que P (0) 6= 0. Pode-se mostrar que nestascondicoes a solucao geral desta equacao pode ser escrita como uma serie de potencias de
t. Para encontrar uma tal solucao, escrevemos a solucao y(t) como uma serie de potencias
de t, com os coeficientes a determinar,
y(t) =
n=0
antn = a0 + a1t + a2t
2 + a3t3 + ,
e substituimos na equacao (21) esta serie, a serie da primeira derivada
y(t) = a1 + 2a2t + 3a3t2 + =
n=0
(n + 1)an+1tn
e a serie da segunda derivada
y(t) = 2a2 + 2 3a3t + 3 4a4t2 + =
n=0
(n + 1)(n + 2)an+2tn.
Usamos as propriedades que apresentamos anteriormente de forma a escrever o lado es-
querdo da equacao (21) como uma serie de potencias de t cujos coeficientes sao expressoes
dos coeficientes a ser determinados a0, a1, . . . Usando estas expressoes obtemos formulas
que dao os coeficientes an+k em termos dos coeficientes anteriores an+k1, an+k2, . . . Desta
forma obtemos qualquer coeficiente em termos dos dois primeiros coeficientes nao nulos
que serao as constantes arbitrarias da solucao geral.
19 de fevereiro de 2003 Reginaldo J. Santos
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26 5 EXERCICIOS SOBRE SOLUCOES EM SERIES DE POTENCIAS
5 Exerccios sobre Solucoes em Series de Potencias
1. Resolva a equacao diferencial dada em serie de potencias de t. Escreva uma formula
fechada para o termo geral de cada serie que compoe a solucao.
(a) y + ty + 2y = 0, y(0) = 4, y(0) = 1.
(b) (1 + t2)y 4ty + 6y = 0.
(c) (4 t2)y + 2y = 0.
(d) (3 t2)y 3ty y = 0.
(e) (1 t)y + ty y = 0, y(0) = 3, y(0) = 2.
(f) 2y + ty + 3y = 0
2. Resolva a equacao diferencial dada em serie de potencias de t. Escreva os tres
primeiros termos nao nulos (se existirem) de cada serie que compoe a solucao.
(a) y + k2t2y = 0, em que k R.
(b) (1 t)y + y = 0.
(c) (2 + t2)y ty + 4y = 0, y(0) = 3, y(0) = 2.
Equacoes Diferenciais Lineares de 2a. Ordem 19 de fevereiro de 2003
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27
Respostas dos Exerccios
1. (a) Substituindo-se y(t) =
n=0 antn, y(t) =
n=0(n + 1)an+1tn e
y(t) =
n=0(n + 2)(n + 1)an+2tn na equacao y + ty + 2y = 0, obtemos
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn + t
n=0
(n + 1)an+1tn + 2
n=0
antn = 0
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn +
n=0
(n + 1)an+1tn+1 + 2
n=0
antn = 0
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn +
n=1
nantn + 2
n=0
antn = 0
2a2 + 2a0 +
n=1
[(n + 2)(n + 1)an+2 + nan + 2an]tn = 0
O que implica em{
2a2 + 2a0 = 0(n + 2)(n + 1)an+2 + nan + 2an = 0, n = 1, 2, 3, . . .
{a2 = a0an+2 = 1n+1an, n = 1, 2, 3, . . .
a4 =(1)2
3a0, a6 =
(1)3
53a0, a2n = (1)
n2nn!(2n)!
a0
a3 = 12a1, a5 = 142a1, a2n1 =(1)n
2nn!a1
Substituindo-se os valores an encontrados acima, na serie de y(t) obtemos
y(t) =
n=0
antn
=
n=0
a2nt2n +
n=0
a2n+1t2n+1
= a0
(
1 +
n=1
(1)n2nn!(2n)!
t2n
)
+ a1
(
t +
n=1
(1)n2nn!
t2n+1
)
Portanto, a solucao geral e
y(t) = a0y1(t) + a1y2(t),
19 de fevereiro de 2003 Reginaldo J. Santos
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28 5 EXERCICIOS SOBRE SOLUCOES EM SERIES DE POTENCIAS
em que
y1(t) = 1 +
n=1
(1)n2nn!(2n)!
t2n
y2(t) = t +
n=1
(1)n2nn!
t2n+1
pois
det
[y1(0) y2(0)y1(0) y
2(0)
]
= det
[1 00 1
]
= 1 6= 0
Agora, como y(0) = 4, entao substituindo t = 0 e y = 4 na expressao de y(t)
obtemos que a0 = 4. Como y(0) = 1, substituindo-se t = 0 e y = 1 na
expressao obtida derivando-se y(t):
y(t) = a0
n=1
(1)n2nn!(2n 1)! t
2n1 + a1
(
1 +
n=1
(1)n(2n + 1)2nn!
t2n
)
obtemos a1 = 1. Assim a solucao do problema de valor inicial e
y(t) = 4
(
1 +
n=1
(1)n2nn!(2n)!
t2n
)
(
t +
n=1
(1)n2nn!
t2n+1
)
(b) Substituindo-se y(t) =
n=0 antn, y(t) =
n=0(n + 1)an+1tn e
y(t) =
n=0(n+2)(n+1)an+2tn na equacao (1+t2)y4ty+6y = 0, obtemos
(1 + t2)
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn 4t
n=0
(n + 1)an+1tn + 6
n=0
antn = 0
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn + t2
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn 4
n=0
(n + 1)an+1tn+1
+6
n=0
antn = 0
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn +
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn+2 4
n=0
(n + 1)an+1tn+1
+6
n=0
antn = 0
Equacoes Diferenciais Lineares de 2a. Ordem 19 de fevereiro de 2003
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29
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn +
n=2
n(n 1)antn 4
n=1
nantn
+6
n=0
antn = 0
2a2+6a3t4a1t+6a0+6a1t+
n=2
[(n+2)(n+1)an+2+n(n1)an4nan+6an]tn = 0
O que implica em
2a2 + 6a0 = 06a3 + 2a1 = 0(n + 2)(n + 1)an+2 + n(n 1)an 4nan + 6an = 0, n = 2, 3, . . .
a2 = 3a0a3 = 13a1an+2 = (n3)(n2)(n+2)(n+1)an, n = 2, 3, . . .
a4 = 0, a6 = 0, a2n = 0, para n = 2, 3, . . .a5 = 0, a7 = 0, a2n+1 = 0, para n = 2, 3, . . .
Substituindo-se os valores an encontrados acima, na serie de y(t) obtemos
y(t) =
n=0
antn
=
n=0
a2nt2n +
n=0
a2n+1t2n+1
= a0(1 3t2
)+ a1
(
t 13t3)
Portanto, a solucao geral e
y(t) = a0y1(t) + a1y2(t),
em que
y1(t) = 1 3t2 e y2(t) = t 1
3t3
pois
det
[y1(0) y2(0)y1(0) y
2(0)
]
= det
[1 00 1
]
= 1 6= 0
19 de fevereiro de 2003 Reginaldo J. Santos
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30 5 EXERCICIOS SOBRE SOLUCOES EM SERIES DE POTENCIAS
(c) Substituindo-se y(t) =
n=0 antn e y(t) =
n=0(n + 2)(n + 1)an+2tn na
equacao (4 t2)y + 2y = 0, obtemos
(4 t2)
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn + 2
n=0
antn = 0
4
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn t2
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn + 2
n=0
antn = 0
4
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn+2 + 2
n=0
antn = 0
4
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn
n=2
n(n 1)antn + 2
n=0
antn = 0
8a2 +4 3 2 a3t+2a0 +2a1t+
n=2
[4(n+2)(n+1)an+2n(n1)an +2an]tn = 0
O que implica em
8a2 + 2a0 = 04 3 2 a3 + 2a1 = 04(n + 2)(n + 1)an+2 n(n 1)an + 2an = 0, n = 2, 3, . . .
a2 = 14a0a3 = 143a1an+2 =
n2n24(n+2)(n+1)
an =n2
4(n+2)an, n = 2, 3, . . .
a4 = 0, a6 = 0, a2n = 0, para n = 2, 3, . . .a5 = 14253a1, a7 = 14375a1, a2n+1 = 14n(2n+1)(2n1)a1, n = 1, . . .
Substituindo-se os valores an encontrados acima, na serie de y(t) obtemos
y(t) =
n=0
antn
=
n=0
a2nt2n +
n=0
a2n+1t2n+1
= a0
(
1 14t2)
+ a1
(
t
n=1
1
4n(2n + 1)(2n 1)t2n+1
)
Equacoes Diferenciais Lineares de 2a. Ordem 19 de fevereiro de 2003
-
31
Portanto, a solucao geral e
y(t) = a0y1(t) + a1y2(t),
em que
y1(t) = 1 1
4t2 e y2(t) = t
n=1
1
4n(2n + 1)(2n 1)t2n+1
pois
det
[y1(0) y2(0)y1(0) y
2(0)
]
= det
[1 00 1
]
= 1 6= 0
(d) Substituindo-se y(t) =
n=0 antn, y(t) =
n=0(n + 1)an+1tn e
y(t) =
n=0(n+2)(n+1)an+2tn na equacao (3 t2)y3tyy = 0, obtemos
(3 t2)
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn 3t
n=0
(n + 1)an+1tn
n=0
antn = 0
3
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn t2
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn 3
n=0
(n + 1)an+1tn+1
n=0
antn = 0
3
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn+2 3
n=0
(n + 1)an+1tn+1
n=0
antn = 0
3
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn
n=2
n(n 1)antn 3
n=1
nantn
n=0
antn = 0
6a2+322a3t3a1ta0a1t+
n=2
[3(n+2)(n+1)an+2n(n1)an3nanan]tn = 0
19 de fevereiro de 2003 Reginaldo J. Santos
-
32 5 EXERCICIOS SOBRE SOLUCOES EM SERIES DE POTENCIAS
O que implica em
6a2 a0 = 032 2 a3 4a1 = 03(n + 2)(n + 1)an+2 n(n 1)an 3nan an = 0, n = 2, 3, . . .
a2 =1
32a0
a3 =232
a1an+2 =
n2+2n+13(n+2)(n+1)
an =(n+1)2
3(n+2)(n+1)an =
n+13(n+2)
an, n = 1, 2, . . .
a4 =3
3242a0, a6 =
5333642
a0, a2n = (2n)!3n22n(n!)2 a0, n = 2, 3, . . .a5 =
423253
a1, a7 =642
33753a1, a2n+1 = 2
2n(n!)2
3n(2n+1)!a1, n = 1, 2, . . .
Substituindo-se os valores an encontrados acima, na serie de y(t) obtemos
y(t) =
n=0
antn
=
n=0
a2nt2n +
n=0
a2n+1t2n+1
= a0
(
1 +
n=1
(2n)!
3n 22n(n!)2 t2n
)
+ a1
(
t +
n=1
22n(n!)2
3n(2n + 1)!t2n+1
)
Portanto, a solucao geral e
y(t) = a0y1(t) + a1y2(t),
em que
y1(t) = 1 +
n=1
(2n)!
3n 22n(n!)2 t2n e y2(t) = t +
n=1
22n(n!)2
3n(2n + 1)!t2n+1
pois
det
[y1(0) y2(0)y1(0) y
2(0)
]
= det
[1 00 1
]
= 1 6= 0
(e) Substituindo-se y(t) =
n=0 antn, y(t) =
n=0(n + 1)an+1tn e
y(t) =
n=0(n + 2)(n + 1)an+2tn na equacao (1 t)y + ty y = 0, obtemos
(1 t)
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn + t
n=0
(n + 1)an+1tn
n=0
antn = 0
Equacoes Diferenciais Lineares de 2a. Ordem 19 de fevereiro de 2003
-
33
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn t
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn +
n=0
(n + 1)an+1tn+1
n=0
antn = 0
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn+1 +
n=0
(n + 1)an+1tn+1
n=0
antn = 0
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn
n=1
(n + 1)nan+1tn +
n=1
nantn
n=0
antn = 0
2a2 a0 +
n=1
[(n + 2)(n + 1)an+2 n(n + 1)an+1 + nan an]tn = 0
O que implica em{
2a2 a0 = 0(n + 2)(n + 1)an+2 n(n + 1)an+1 + nan an = 0, n = 1, 2, 3, . . .
{a2 =
12a0
an+2 =n
n+2an+1 n1(n+2)(n+1)an, n = 1, 2, . . .
a3 =1
32a0, a4 =
2432
a0 14!a0 = 14!a0, a5 = 35!a0 25!a0 = 15!a0,
an+2 =n
n + 2
1
(n + 1)!a0
n 1(n + 2)(n + 1)
1
n!a0 =
1
(n + 2)!a0, para n = 0, 1, 2, . . .
Substituindo-se os valores an encontrados acima, na serie de y(t) obtemos
y(t) =
n=0
antn
= a0
(
1 +
n=2
1
n!tn
)
+ a1t
Portanto, a solucao geral e
y(t) = a0y1(t) + a1y2(t),
19 de fevereiro de 2003 Reginaldo J. Santos
-
34 5 EXERCICIOS SOBRE SOLUCOES EM SERIES DE POTENCIAS
em que
y1(t) = 1 +
n=2
1
n!tn e y2(t) = t
pois
det
[y1(0) y2(0)y1(0) y
2(0)
]
= det
[1 00 1
]
= 1 6= 0
Agora, como y(0) = 3, entao substituindo t = 0 e y = 3 na expressao dey(t) obtemos que a0 = 3. Como y(0) = 2, substituindo-se t = 0 e y = 2 naexpressao obtida derivando-se y(t):
y(t) = a0
n=2
1
(n 1)!tn1 + a1
obtemos a1 = 2. Assim a solucao do problema de valor inicial e
y(t) = 3(
1 +
n=2
1
n!tn
)
+ 2t
(f) Substituindo-se y(t) =
n=0 antn, y(t) =
n=0(n + 1)an+1tn e
y(t) =
n=0(n + 2)(n + 1)an+2tn na equacao 2y + ty + 3y = 0, obtemos
2
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn + t
n=0
(n + 1)an+1tn + 3
n=0
antn = 0
2
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn +
n=0
(n + 1)an+1tn+1 + 3
n=0
antn = 0
2
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn +
n=1
nantn + 3
n=0
antn = 0
4a2 + 3a0 +
n=1
[2(n + 2)(n + 1)an+2 + nan + 3an]tn = 0
O que implica em
{4a2 + 3a0 = 02(n + 2)(n + 1)an+2 + nan + 3an = 0, n = 1, 2, 3, . . .
Equacoes Diferenciais Lineares de 2a. Ordem 19 de fevereiro de 2003
-
35
{a2 = 34a0an+2 = n+32(n+2)(n+1)an, n = 1, 2, . . .
a4 =53
22432a0, a6 = 753236!a0, a2n =
(1)n(2n+1)22nn!
a0, n = 1, 2, . . .
a3 = 4232a1, a5 = 64225432a1, a2n+1 =(1)n(n+1)!
(2n+1)!a1, n = 1, . . .
Substituindo-se os valores an encontrados acima, na serie de y(t) obtemos
y(t) =
n=0
antn
=
n=0
a2nt2n +
n=0
a2n+1t2n+1
= a0
(
1 +
n=1
(1)n(2n + 1)22n n! t
2n
)
+ a1
(
t +
n=1
(1)n(n + 1)!(2n + 1)!
t2n+1
)
Portanto, a solucao geral e
y(t) = a0y1(t) + a1y2(t),
em que
y1(t) = 1 +
n=1
(1)n(2n + 1)22n n! t
2n e y2(t) = t +
n=1
(1)n(n + 1)!(2n + 1)!
t2n+1
pois
det
[y1(0) y2(0)y1(0) y
2(0)
]
= det
[1 00 1
]
= 1 6= 0
2. (a) Substituindo-se y(t) =
n=0 antn e y(t) =
n=0(n + 2)(n + 1)an+2tn na
equacao y + k2t2y = 0, obtemos
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn + k2
n=0
antn+2 = 0
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn + k2
n=2
an2tn = 0
2a2 + 6a3t +
n=2
[(n + 2)(n + 1)an+2 + k2an2]t
n = 0.
19 de fevereiro de 2003 Reginaldo J. Santos
-
36 5 EXERCICIOS SOBRE SOLUCOES EM SERIES DE POTENCIAS
O que implica em
2a2 = 06a3 = 0(n + 2)(n + 1)an+2 + k
2an2 = 0, n = 2, 3, . . .{
a2 = a3 = 0
an+2 = k2
(n+2)(n+1)an2, n = 2, 3, . . .
a4 = k2
43a0, a8 =
k4
8743a0,
a5 =k2
54a1, a9 =
k4
9854a1,
a6 = 0, a10 = 0, a4n+2 = 0, para n = 0, 1, 2, . . .a7 = 0, a11 = 0, a4n+3 = 0, para n = 0, 1, 2, . . .
Substituindo-se os valores an encontrados acima, na serie de y(t) obtemos
y(t) =
n=0
antn
=
n=0
a4nt4n +
n=0
a4n+1t4n+1 +
n=0
a4n+2t4n+2 +
n=0
a4n+3t4n+3
=
n=0
a4nt4n +
n=0
a4n+1t4n+1
= a0
(
1 k2
4 3t4 +
k4
8 7 4 3t8 +
)
+
+a1
(
t k2
5 4t5 +
k4
9 8 5 4t9 +
)
Portanto, a solucao geral e
y(t) = a0y1(t) + a1y2(t),
em que
y1(t) = 1 k2
4 3t4 +
k4
8 7 4 3t8 +
y2(t) = t k2
5 4t5 +
k4
9 8 5 4t9 +
pois
det
[y1(0) y2(0)y1(0) y
2(0)
]
= det
[1 00 1
]
= 1 6= 0
Equacoes Diferenciais Lineares de 2a. Ordem 19 de fevereiro de 2003
-
37
(b) Substituindo-se y(t) =
n=0 antn e y(t) =
n=0(n + 2)(n + 1)an+2tn na
equacao (1 t)y + y = 0, obtemos
(1 t)
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn +
n=0
antn = 0
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn t
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn +
n=0
antn = 0
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn+1 +
n=0
antn = 0
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn
n=1
(n + 1)nan+1tn +
n=0
antn = 0
2a2 + a0 +
n=1
[(n + 2)(n + 1)an+2 (n + 1)nan+1 + an]tn = 0
O que implica em{
2a2 + a0 = 0(n + 2)(n + 1)an+2 (n + 1)nan+1 + an = 0, n = 1, 2, 3, . . .
{a2 = 12a0an+2 =
nn+2
an+1 1(n+2)(n+1)an, n = 1, 2, 3, . . .
a3 =13a2 132a1 = 132a0 132a1
a4 =12a3 143a2 = 1322 a0 1322 a1 + 1432a0 = 1432a0 1322 a1
Substituindo-se os valores an encontrados acima, na serie de y(t) obtemos
y(t) =
n=0
antn
= a0
(
1 12t2 1
3 2t3 1
4 3 2t4 +
)
+
+a1
(
t 13 2t
3 13 4t
4 + )
Portanto, a solucao geral e
y(t) = a0y1(t) + a1y2(t),
19 de fevereiro de 2003 Reginaldo J. Santos
-
38 5 EXERCICIOS SOBRE SOLUCOES EM SERIES DE POTENCIAS
em que
y1(t) = 1 1
2t2 1
3 2t3 1
4 3 2t4 +
y2(t) = t 1
3 2t3 1
3 4t4 +
pois
det
[y1(0) y2(0)y1(0) y
2(0)
]
= det
[1 00 1
]
= 1 6= 0
(c) Substituindo-se y(t) =
n=0 antn, y(t) =
n=0(n + 1)an+1tn e
y(t) =
n=0(n+2)(n+1)an+2tn na equacao (2+ t2)y ty+4y = 0, obtemos
(2 + t2)
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn t
n=0
(n + 1)an+1tn + 4
n=0
antn = 0
2
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn + t2
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn
n=0(n + 1)an+1tn+1
+4
n=0 antn = 0
2
n=0
(n+2)(n+1)an+2tn+
n=0
(n+2)(n+1)an+2tn+2
n=1
nantn+4
n=0
antn = 0
2
n=0
(n + 2)(n + 1)an+2tn +
n=2
n(n 1)antn
n=1
nantn + 4
n=0
antn = 0
4a2+12a3ta1t+4a0+4a1t+
n=2
[2(n+2)(n+1)an+2+n(n1)annan+4an]tn = 0
O que implica em
4a2 + 4a0 = 012a3 + 3a1 = 02(n + 2)(n + 1)an+2 + n(n 1)an nan + 4an = 0, n = 2, 3, . . .
a2 = a0a3 = 14a1an+2 =
n(n2)42(n+2)(n+1)
an, n = 2, 3, . . .
a4 =1
32a0, a6 =
130
a0, a5 =
75422
a1, a7 =19
654222a1,
Equacoes Diferenciais Lineares de 2a. Ordem 19 de fevereiro de 2003
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39
Substituindo-se os valores an encontrados acima, na serie de y(t) obtemos
y(t) =
n=0
antn
=
n=0
a2nt2n +
n=0
a2n+1t2n+1
= a0
(
1 t2 + 13 2t
4 + )
+
+a1
(
t +7
5 42 2t3 19
6 5 42 22 t5 +
)
Portanto, a solucao geral e
y(t) = a0y1(t) + a1y2(t),
em que
y1(t) = 1 t2 +1
3 2t4 +
y2(t) = t +7
5 42 2t3 19
6 5 42 22 t5 +
pois
det
[y1(0) y2(0)y1(0) y
2(0)
]
= det
[1 00 1
]
= 1 6= 0
Agora, como y(0) = 3, entao substituindo t = 0 e y = 3 na expressao dey(t) obtemos que a0 = 3. Como y(0) = 2, substituindo-se t = 0 e y = 2 naexpressao obtida derivando-se y(t):
y(t) = a0
(
2t + 23t3 +
)
+
+a1
(
1 +3 7
5 42 2t2 19
6 42 22 t4 +
)
obtemos a1 = 2. Assim a solucao do problema de valor inicial e
y(t) = 3(
1 t2 + 13 2t
4 + )
+
+2
(
t +7
5 42 2t3 19
6 5 42 22 t5 +
)
19 de fevereiro de 2003 Reginaldo J. Santos
-
40 6 TRANSFORMADA DE LAPLACE
6 Transformada de Laplace
6.1 Introducao
A transformada de Laplace pode ser usada para resolver equacoes diferencias lineares
com coeficientes constantes, ou seja, equacoes da forma
ay + by + cy = f(t), para a, b, c R
Para isso, a equacao diferencial e inicialmente transformada pela transformada de Laplace
numa equacao algebrica. Depois resolve-se a equacao algebrica e finalmente transforma-se
de volta a solucao da equacao algebrica na solucao da equacao diferencial inicial.
A transformada de Laplace de uma funcao f : [0,) R e definida por
L(f)(s) = F (s) =
0
estf(t)dt.
para todo s 0 em que a integral acima converge. Representaremos a funcao original poruma letra minuscula e a sua variavel por t, e a sua transformada de Laplace pela letra
correspondente maiuscula e a sua variavel. Por exemplo, as transformadas de Laplace das
funcoes f(t), g(t) e h(t) serao representadas por F (s), G(s) e H(s), respectivamente.
Exemplo 8. A transformada de Laplace da funcao f : [0,) R definida por f(t) = 1e dada por
F (s) =
0
est 1 dt =est
s
0
= limA
esA
s es0
s = 0 es0
s =1
s, para s > 0.
Exemplo 9. Seja a uma constante real. A transformada de Laplace da funcao
f : [0,) R definida por f(t) = eat e dada por
F (s) =
0
est eat dt =
0
e(sa)t dt =e(sa)t
a s
0
= 0e(sa)0
a s =1
s a, para s > a.
Equacoes Diferenciais Lineares de 2a. Ordem 19 de fevereiro de 2003
-
6.1 Introducao 41
Teorema 5 (Linearidade). Se a transformada de Laplace de f(t) e F (s), para s > a1,
e a transformada de Laplace de g(t) e G(s), para s > a2, entao para constantes e
L(f + g)(s) = L(f)(s) + L(g)(s) = F (s) + G(s), para s > max{a1, a2}.
Exemplo 10. Seja a uma constante real. A transformada de Laplace da funcao
h : [0,) R definida por h(t) = eiat e dada por
H(s) =
0
est eiat dt =
0
e(sia)t dt =e(sia)t
(s ia)
0
= limA
esA(cos aA + i sen aA) e(sia)0
(s ia) = 0 e(sia)0
ia s
=1
s ia, para s > 0.
Exemplo 11. Seja a uma constante. Vamos determinar a transformada de Laplace das
funcoes f : [0,) R dada por f(t) = cos at e g : [0,) R dada por g(t) = sen at.No exemplo anterior calculamos a transformada de Laplace de
h(t) = eiat = cos at + i sen at = f(t) + ig(t)
Pela linearidade da transformada de Laplace (Teorema 5)
H(s) = L(h)(s) = L(f)(s) + iL(g)(s) = F (s) + iG(s)
Comparando a parte real (imaginaria) do lado direito com a parte real (imaginaria) do
lado esquerdo da igualdade obtemos
F (s) = Re{ 1s ia} = Re{
s + ia
(s ia)(s + ia)} =s
s2 + a2, para s > 0
G(s) = Im{ 1s ia} = Im{
s + ia
(s ia)(s + ia)} =a
s2 + a2, para s > 0.
Exemplo 12. Seja n um inteiro positivo. Deixamos como exerccio mostrar que a trans-
formada de Laplace da funcao f : [0,) R dada por f(t) = tn e dada por
F (s) =n!
sn+1, para s > 0.
19 de fevereiro de 2003 Reginaldo J. Santos
-
42 6 TRANSFORMADA DE LAPLACE
Teorema 6 (1o. Teorema de Deslocamento). Seja a uma constante. Se a transfor-
mada de Laplace da funcao f : [0,) R e F (s), para s > c, entao a transformada deLaplace da funcao
g(t) = eatf(t)
e
G(s) = F (s a), para s > a + c
Exemplo 13. Sejam a e b constantes. Usando o Teorema anterior obtemos que a trans-
formada de Laplace de f : [0,) R dada por f(t) = ebt cos at e dada por
F (s) =s b
(s b)2 + a2 , para s > a.
Exemplo 14. Sejam a e b constantes. Usando o Teorema anterior obtemos que a trans-
formada de Laplace de f : [0,) R dada por f(t) = ebt sen at e dada por
F (s) =a
(s b)2 + a2 , para s > a.
Exemplo 15. Seja a um constante e n um inteiro positivo. Usando o Teorema anterior
obtemos que a transformada de Laplace de f : [0,) R dada por f(t) = eat tn e dadapor
F (s) =n!
(s a)n+1 , para s > a.
Exemplo 16. Seja a uma constante. Pelo Teorema anterior a transformada de Laplace
do cosseno hiperbolico de at, f(t) = cosh at =eat + eat
2, e dada por
F (s) =1
2
1
s a +1
2
1
s + a=
s
s2 a2 , para s > |a|.
Equacoes Diferenciais Lineares de 2a. Ordem 19 de fevereiro de 2003
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6.1 Introducao 43
Exemplo 17. Seja a uma constante. Pelo Teorema anterior a transformada de Laplace
do seno hiperbolico de at, f(t) = senh at =eat eat
2, e dada por
F (s) =1
2
1
s a 1
2
1
s + a=
a
s2 a2 , para s > |a|.
Exemplo 18. Se a transformada de Laplace de uma funcao f(t) e
F (s) =s + 3
s2 3s + 2entao vamos determinar a funcao f(t). Para isso vamos decompor F (s) em fracoes parci-
ais. O denominador de F (s) tem duas razes reais s = 1 e s = 2. Assim,
F (s) =s + 3
(s 1)(s 2) =A
s 1 +B
s 2 ,
em que A e B sao constantes a determinar. Multiplicando F (s) por (s1)(s2) obtemos
s + 3 = A(s 2) + B(s 1) = (A + B)s + (2A B)
Comparando os termos de mesmo grau obtemos
1 = A + B e 3 = 2A B
de onde obtemos que A = 4 e B = 5. Assim,
F (s) =s + 3
(s 1)(s 2) = 41
s 1 + 51
s 2
e a funcao cuja transformada e F (s) e
f(t) = 4et + 5e2t.
19 de fevereiro de 2003 Reginaldo J. Santos
-
44 6 TRANSFORMADA DE LAPLACE
Exemplo 19. Se a transformada de Laplace de uma funcao f(t) e
F (s) =s 3
s2 + 4s + 4
entao vamos determinar a funcao f(t). O denominador de F (s) tem somente uma raiz
real, s = 2. Podemos reescrever F (s) da seguinte forma
F (s) =s 3
(s + 2)2=
s + 2 5(s + 2)2
=s + 2
(s + 2)2+
5(s + 2)2
=1
s + 2 5 1
(s + 2)2.
Observando a Tabela na pagina 45, usando o 1o. Teorema do deslocamento e o Teorema
da Linearidade vemos que a funcao cuja transformada de Laplace e F (s) e dada por
f(t) = e2t 5e2tt.
Exemplo 20. Se a transformada de Laplace de uma funcao f(t) e
F (s) =s 2
2s2 + 2s + 2
entao vamos determinar a funcao f(t). Completando quadrados podemos reescrever F (s)
da seguinte forma
F (s) =s 2
2s2 + 2s + 2=
s 22[s2 + s + 1]
=s 2
2[(s + 1/2)2 + 3/4]
=s + 1/2 5/2
2[(s + 1/2)2 + 3/4]=
s + 1/2
2[(s + 1/2)2 + 3/4] 5/2
2[(s + 1/2)2 + 3/4]
=1
2
s + 1/2
(s + 1/2)2 + 3/4 5
4
1
(s + 1/2)2 + 3/4
=1
2
s + 1/2
(s + 1/2)2 + 3/4 5
2
3
3/2
(s + 1/2)2 + 3/4
Observando a Tabela na pagina 45, usando o 1o. Teorema do deslocamento e o Teorema
da Linearidade vemos que a funcao cuja transformada de Laplace e F (s) e dada por
f(t) =1
2et/2 cos
(3
2t
)
52
3et/2sen
(3
2t
)
.
Equacoes Diferenciais Lineares de 2a. Ordem 19 de fevereiro de 2003
-
6.2 Tabela de Transformadas de Laplace 45
6.2 Tabela de Transformadas de Laplace
Transformadas de Laplace Elementares
f(t) F (s) = L(f)(s) f(t) F (s) = L(f)(s)
11
s, para s > 0 eat
1
s a , para s > a
cos ats
s2 + a2, para s > 0 sen at
a
s2 + a2, para s > 0
tn, para n Z+ n!sn+1
, para s > 0 eatf(t) F (s a)
f (t) sF (s) f(0) f (t) s2F (s)sf(0)f (0)
t cos ats2 a2
(s2 + a2)2, s > 0 t sen at
2as
(s2 + a2)2, s > 0
sen at at cos at 2a3
(s2 + a2)2, s > 0 f(t)(t t0))(s) et0sf(t0), s > 0
ua(t) =
{0, 0 t< a1, t a
eas
s, para s > 0 ua(t)f(ta) easF (s)
19 de fevereiro de 2003 Reginaldo J. Santos
-
46 6 TRANSFORMADA DE LAPLACE
6.3 Solucao de Problemas de Valor Inicial
Dizemos que uma funcao f : [0,) R e seccionalmente contnua ou contnuapor partes se f(t) e contnua em [0,) exceto possivelmente em um numero finito depontos, nos quais os limites laterais existem.
Teorema 7 (Derivacao). (a) Suponha que f : [0,) R seja derivavel com f (t)seccionalmente contnua. Entao
L(f )(s) = sF (s) f(0),
em que F (s) e a transformada de Laplace de f(t).
(b) Suponha que f : [0,) R seja derivavel duas vezes com f (t) seccionalmentecontnua. Entao
L(f )(s) = s2F (s) sf(0) f (0),
em que F (s) e a transformada de Laplace de f(t).
Exemplo 21. Seja a uma constante. Seja f(t) = t sen at. Vamos determinar F (s).
f (t) = sen at + at cos at
f (t) = 2a cos at a2t senat = 2a cos at a2f(t)
Assim, aplicando-se a transformada de Laplace e usando o Teorema anterior obtemos
s2F (s) sf(0) f (0) = 2a ss2 + a2
a2F (s)
Assim,
F (s) =2as
(s2 + a2)2
Equacoes Diferenciais Lineares de 2a. Ordem 19 de fevereiro de 2003
-
6.3 Solucao de Problemas de Valor Inicial 47
Exemplo 22. Seja a uma constante. Seja f(t) = t cos at. Deixamos como exerccio
mostrar que
F (s) =s2 a2
(s2 + a2)2
Exemplo 23. Vamos resolver o seguinte problema de valor inicial
y + 2y + 5y = 4et cos 2t, y(0) = 1, y(0) = 0
Aplicando-se a transformada de Laplace a equacao acima obtemos
(s2Y (s) sy(0) y(0)
)+ 2 (sY (s) y(0)) + 5Y (s) = 4 s + 1
(s + 1)2 + 4
Substituindo-se os valores y(0) = 1 e y(0) = 0 obtemos
(s2 + 2s + 5
)Y (s) = 4
s + 1
(s + 1)2 + 4+ s + 2
=4s + 4 + (s + 2)(s2 + 2s + 5)
s2 + 2s + 5
=s3 + 4s2 + 13s + 14
s2 + 2s + 5
Assim,
Y (s) =s3 + 4s2 + 13s + 14
(s2 + 2s + 5)2
Como o denominador tem somente razes complexas, para decompor Y (s) em fracoes
parciais vamos encontrar A,B,C e D tais que
Y (s) =As + B
s2 + 2s + 5+
Cs + D
(s2 + 2s + 5)2
ou seja
s3 + 4s2 + 13s + 14 = (As + B)(s2 + 2s + 5) + (Cs + D)
= As3 + (B + 2A)s2 + (2B + 5A + C)s + (5B + D)
19 de fevereiro de 2003 Reginaldo J. Santos
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48 6 TRANSFORMADA DE LAPLACE
Comparando-se os termos de mesmo grau obtemos o sistema
A = 12A + B = 45A + 2B + C = 13
5B + D = 14
que tem solucao A = 1, B = 2, C = 4 e D = 4. Assim,
Y (s) =s + 2
s2 + 2s + 5+
4s + 4
(s2 + 2s + 5)2=
s + 1 + 1
(s + 1)2 + 4+ 4
s + 1
[(s + 1)2 + 4]2
=s + 1
(s + 1)2 + 4+
1
2
2
(s + 1)2 + 4+
2 2(s + 1)[(s + 1)2 + 4]2
De onde obtemos
y(t) = et cos 2t +1
2et sen 2t + tet sen 2t
6.4 Equacoes com o Termo nao Homogeneo Descontnuo
x
y
a
1
Figura 1: Funcao de Heaviside
Seja a uma constante maior ou igual a zero. Vamos definir a funcao degrau unitario
ou funcao de Heaviside por
ua(t) =
{0, para 0 t < a1, para t a
Equacoes Diferenciais Lineares de 2a. Ordem 19 de fevereiro de 2003
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6.4 Equacoes com o Termo nao Homogeneo Descontnuo 49
Vamos calcular a transformada de Laplace da funcao de Heaviside f(t) = ua(t).
F (s) =
0
estua(t) dt =
a
est dt =est
s
a
= 0 esa
s =eas
s, para s > 0
Exemplo 24. Vamos calcular a transformada de Laplace da funcao
f(t) =
{1, para 0 t < 20, para t 2
Esta funcao pode ser escrita em termos da funcao de Heaviside como
f(t) = 1 u2(t).
Assim usando a linearidade da Transformada de Laplace obtemos
F (s) =1
s e
2s
s.
0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 30.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
x
y
Figura 2: Funcao f(t) = 1 u2(t)
19 de fevereiro de 2003 Reginaldo J. Santos
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50 6 TRANSFORMADA DE LAPLACE
Exemplo 25. Vamos calcular a transformada de Laplace da funcao
f(t) =
0, para 0 t < 12, para 1 t < 20, para t 2
Esta funcao pode ser escrita em termos da funcao de Heaviside como
f(t) = 2u1(t) 2u2(t).
Assim usando a linearidade da Transformada de Laplace obtemos
F (s) = 2es
s 2e
2s
s.
0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 30.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
x
y
Figura 3: Funcao f(t) = 2u1(t) 2u2(t)
Equacoes Diferenciais Lineares de 2a. Ordem 19 de fevereiro de 2003
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6.4 Equacoes com o Termo nao Homogeneo Descontnuo 51
Teorema 8 (2o. Teorema de Deslocamento). Seja a uma constante positiva. Se a
transformada de Laplace da funcao f : [0,) R e F (s), para s > c, entao a transfor-mada de Laplace da funcao
g(t) = ua(t)f(t a)
e
G(s) = easF (s), para s > c
0 1 2 3 4 5 6 7 8 92
1.5
1
0.5
0
0.5
1
1.5
2
x
y
Figura 4: Funcao f(t) = sen t u2(t)sen(t 2)
Exemplo 26. Vamos calcular a transformada de Laplace da funcao
f(t) =
{sen t, para 0 t < 20, para t 2
Esta funcao pode ser escrita em termos da funcao de Heaviside como
f(t) = sen t u2(t) sen t.
19 de fevereiro de 2003 Reginaldo J. Santos
-
52 6 TRANSFORMADA DE LAPLACE
Para usarmos o Teorema 8 precisamos escrever a segunda parcela em termos de uma
funcao g(t 2). Como sen t = sen(t 2), entao
f(t) = sen t u2(t)sen(t 2)
e
F (s) =1
s2 + 1 e2s 1
s2 + 1.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 92
1.5
1
0.5
0
0.5
1
1.5
2
x
y
Figura 5: Funcao f(t) = sen t u(t)sen t
Exemplo 27. Vamos calcular a transformada de Laplace da funcao
f(t) =
{sen t, para 0 t < 0, para t
Esta funcao pode ser escrita em termos da funcao de Heaviside como
f(t) = sen t u(t)sen t.
Para usarmos o Teorema 8 precisamos escrever a segunda parcela em termos de uma
funcao g(t ). Como sen t = sen(t ), entao
f(t) = sen t + u(t)sen(t )
Equacoes Diferenciais Lineares de 2a. Ordem 19 de fevereiro de 2003
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6.4 Equacoes com o Termo nao Homogeneo Descontnuo 53
0 5 10 15 200.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
x
y
Figura 6: Solucao do problema de valor inicial do Exemplo 28
e
F (s) =1
s2 + 1+ es
1
s2 + 1.
Exemplo 28. Vamos resolver o seguinte problema de valor inicial
2y + 2y + 2y = f(t), y(0) = 0, y(0) = 0,
em que
f(t) =
0, para 0 t < 22, para 2 t < 100, para t 10
Esta funcao pode ser escrita em termos da funcao de Heaviside como
f(t) = 2u2(t) 2u10(t).
Aplicando-se a transformada de Laplace a equacao acima obtemos
2(s2Y (s) sy(0) y(0)
)+ 2 (sY (s) y(0)) + 2Y (s) = 2e
2s
s 2e
10s
s
Substituindo-se os valores y(0) = 0 e y(0) = 0 obtemos
(2s2 + 2s + 2
)Y (s) = 2
e2s e10ss
19 de fevereiro de 2003 Reginaldo J. Santos
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54 6 TRANSFORMADA DE LAPLACE
Assim,
Y (s) =e2s e10ss(s2 + s + 1)
= (e2s e10s)H(s),em que
H(s) =1
s(s2 + s + 1)
Depois de encontrar a funcao h(t) cuja transformada de Laplace e H(s), a solucao do
problema de valor inicial e entao, pelo 2o. Teorema de Deslocamento, dada por
y(t) = h(t 2)u2(t) h(t 10)u10(t).
Vamos a seguir encontrar a funcao h(t) cuja transformada de Laplace e H(s). Como
s2 + s + 1 tem razes complexas, a decomposicao de H(s) em fracoes parciais e da forma
H(s) =A
s+
Bs + C
s2 + s + 1.
Multiplicando-se H(s) por s(s2 + s + 1) obtemos
1 = A(s2 + s + 1) + (Bs + C)s = (A + B)s2 + (A + C)s + A
Comparando os coeficientes dos termos de mesmo grau obtemos o sistema de equacoes
lineares
A + B = 0A + C = 0A = 1
que tem solucao A = 1, B = 1 e C = 1. Assim,
H(s) =1
s s + 1
s2 + s + 1=
1
s s + 1
(s + 1/2)2 + 3/4
=1
s s + 1/2
(s + 1/2)2 + 3/4 1/2
(s + 1/2)2 + 3/4
=1
s s + 1/2
(s + 1/2)2 + 3/4 1
3
3/2
(s + 1/2)2 + 3/4
De onde obtemos que a funcao cuja transformada de Laplace e H(s) e
h(t) = 1 et/2 cos(
3
2t
)
13et/2sen
(3
2t
)
e a solucao do problema de valor inicial e dado por
y(t) = h(t 2)u2(t) h(t 10)u10(t).
Equacoes Diferenciais Lineares de 2a. Ordem 19 de fevereiro de 2003
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6.5 Transformada de Laplace do Delta de Dirac 55
6.5 Transformada de Laplace do Delta de Dirac
O delta de Dirac (t) e uma funcao generalizada definida pela seguinte propriedade
0
f(t)(t t0)dt = f(t0), para toda funcao f : [0,) R seccionalmente contnua(22)
Aplicando a propriedade que define o delta de Dirac (22) obtemos que a transformada de
Laplace do delta e dada por
L((t t0))(s) =
0
est(t t0)dt = et0s
Tambem temos que
L(f(t)(t t0))(s) =
0
estf(t)(t t0)dt = et0sf(t0)
6.6 Convolucao
A convolucao de duas funcoes f, g : [0,) R e uma funcao definida por
(f g)(s) = t
0
f(t )g()d
Teorema 9. Seja F (s) a transformada de Laplace de f : [0,) R e G(s) a transfor-mada de Laplace de g : [0,) R. Entao,
L(f g)(s) = F (s)G(s)
A convolucao satisfaz as seguintes propriedades:
(a) f g = g f
(b) f (g1 + g2) = f g1 + f g2
(c) (f g) h = f (g h)
(d) f 0 = 0 f = 0
19 de fevereiro de 2003 Reginaldo J. Santos
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56 7 EXERCICIOS SOBRE TRANSFORMADA DE LAPLACE
7 Exerccios sobre Transformada de Laplace
1. Resolva os problemas de valor inicial:
(a) y + y 2y = 2t, y(0) = 0, y(0) = 1
(b) y + 4y = t2 + 3et, y(0) = 0, y(0) = 2
(c) y 2y + y = tet + 4, y(0) = 1, y(0) = 1
(d) y 2y 3y = 3te2t, y(0) = 1, y(0) = 0
(e) y + 4y = 3 sen 2t, y(0) = 2, y(0) = 1
(f) y + y = f(t), y(0) = 0,y(0) = 1, em que f(t) =
{1, para 0 t < /20, para t /2
(g) y+2y+2y = f(t), y(0) = 0,y(0) = 1, em que f(t) =
0, para 0 t < 2, para t < 20, para t 2
(h) y + 4y = f(t), y(0) = 0,y(0) = 0, em que f(t) =
{sen t, para 0 t < 20, para t 2
(i) y + 4y = f(t), y(0) = 0,y(0) = 0, em que f(t) =
{sen t, para 0 t < 0, para t
(j) y +3y +2y = f(t), y(0) = 0,y(0) = 0, em que f(t) =
{1, para 0 t < 100, para t 10
(k) y + 3y + 2y = f(t), y(0) = 0,y(0) = 1, em que f(t) =
{0, para 0 t < 21, para t 2
(l) y + y = f(t), y(0) = 0,y(0) = 1, em que f(t) =
{0, para 0 t < 31, para t 3
(m) y+y+ 54y = f(t), y(0) = 0,y(0) = 0, em que f(t) =
{sen t, para 0 t < 0, para t
(n) y + 4y = f(t), y(0) = 0,y(0) = 0, em que f(t) =
0, para 0 t < 1, para t < 30, para t 3
(o) y + y = (t 2) cos t, y(0) = 0, y(0) = 1
(p) y + 4y + 4y = f(t), y(0) = 2, y(0) = 3
Equacoes Diferenciais Lineares de 2a. Ordem 19 de fevereiro de 2003
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57
Respostas dos Exerccios
1. (a)(s2Y (s) sy(0) y(0)
)+ (sY (s) y(0)) 2Y (s) = 2 1
s2
Substituindo-se os valores y(0) = 0 e y(0) = 1 obtemos
(s2 + s 2
)Y (s) =
2
s2+ 1
Assim,
Y (s) =2
s2(s + 2)(s 1) +1
(s + 2)(s 1)
=2 + s2
s2(s + 2)(s 1)
Y (s) =A
s+
B
s2+
C
s + 2+
D
s 1
s2 + 2 = As(s2 + s 2) + B(s2 + s 2) + Cs2(s 1) + Ds2(s + 2)= (A + C + D)s3 + (A + B C + 2D)s2 + (2A + B)s + (2B)
Comparando-se os termos de mesmo grau obtemos o sistema
A + C + D = 0A + B C + 2D = 1
2A + B = 0 2B = 2
que tem solucao A = 1/2, B = 1, C = 1/2 e D = 1. Assim,
Y (s) =1/2
s 1
s2 1/2
s + 2+
1
s 1
y(t) = 12 t 1
2e2t + et
19 de fevereiro de 2003 Reginaldo J. Santos
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58 7 EXERCICIOS SOBRE TRANSFORMADA DE LAPLACE
0 0.5 1 1.5 21
0
1
2
3
4
5
x
y
(b)(s2Y (s) sy(0) y(0)
)+ 4Y (s) =
2
s3+
3
s 1Substituindo-se os valores y(0) = 0 e y(0) = 2 obtemos
(s2 + 4
)Y (s) =
2
s3+
3
s 1 + 2
Assim,
Y (s) =2
s3(s2 + 4)+
3
(s 1)(s2 + 4) +2
s2 + 4
2
s3(s2 + 4)=
A
s+
B
s2+
C
s3+
Ds + E
s2 + 4
2 = As2(s2 + 4) + Bs(s2 + 4) + C(s2 + 4) + (Ds + E)s3
= (A + D)s4 + (B + E)s3 + (4A + C)s2 + 4Bs + 4C
Comparando-se os termos de mesmo grau obtemos o sistema
A + D = 0B + E = 0
4A + C = 04B = 0
4C = 2
Equacoes Diferenciais Lineares de 2a. Ordem 19 de fevereiro de 2003
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59
que tem solucao A = 1/8, B = 0, C = 1/2, D = 1/8 e E = 0. Assim,
2
s3(s2 + 4)= 1/8
s+
1
4
2
s3+
1
8
s
s2 + 4
3
(s 1)(s2 + 4) =A
s 1 +Bs + C
s2 + 4
3 = A(s2 + 4) + (Bs + C)(s 1) = (A + B)s2 + (B + C)s + (4A C)
A + B = 0 B + C = 0
4A C = 3
que tem solucao A = 3/5, B = 3/5 e C = 3/5. Assim,
3
(s 1)(s2 + 4) =3/5
s 1 3
5
s + 1
s2 + 4=
3/5
s 1 3
5
s
s2 + 4 3
10
2
s2 + 4
Y (s) = 1/8s
+1
4
2
s3+
1
8
s
s2 + 4+
3/5
s 1 3
5
s
s2 + 4 3
10
2
s2 + 4+
2
s2 + 4
y(t) = 18
+1
4t2 19
40cos 2t +
3
5et +
7
10sen 2t
0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
x
y
(c)(s2Y (s) sy(0) y(0)
) 2 (sY (s) y(0)) + Y (s) = 1
(s 1)2 +4
s
19 de fevereiro de 2003 Reginaldo J. Santos
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60 7 EXERCICIOS SOBRE TRANSFORMADA DE LAPLACE
Substituindo-se os valores y(0) = 1 e y(0) = 1 obtemos
(s2 2s + 1
)Y (s) =
1
(s 1)2 +4
s+ s 1
Assim,
Y (s) =1
(s 1)4 +4
s(s 1)2 +s 1
(s 1)2
=1
(s 1)4 +4
s(s 1)2 +1
s 1
4
s(s 1)2 =A
s+
B
s 1 +C
(s 1)2
Multiplicando-se por s(s 1)2 obtemos
4 = A(s2 2s + 1) + B(s 1)s + Cs
Comparando-se os termos de mesmo grau obtemos o sistema
A + B = 02A B + C = 0
A = 4
que tem solucao A = 4, B = 4 e C = 4. Assim,
Y (s) =1
(s 1)4 +4
s 4
s 1 +4
(s 1)2 +1
s 1
=1
6
6
(s 1)4 +4
s 3
s 1 +4
(s 1)2
y(t) =1
6t3et + 4 3et + 4tet
Equacoes Diferenciais Lineares de 2a. Ordem 19 de fevereiro de 2003
-
61
0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8
1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
x
y
(d)(s2Y (s) sy(0) y(0)
) 2 (sY (s) y(0)) 3Y (s) = 3 1
(s 2)2Substituindo-se os valores y(0) = 1 e y(0) = 0 obtemos
(s2 2s 3
)Y (s) = 3
1
(s 2)2 + s 2
Assim,
Y (s) = 31
(s2 2s 3)(s 2)2 +s 2
s2 2s 3
= 31
(s 3)(s + 1)(s 2)2 +s 2
(s 3)(s + 1)
=3 + (s 2)3
(s 3)(s + 1)(s 2)2
=s3 6s2 + 12s 5
(s 3)(s + 1)(s 2)2
Y (s) =A
s 3 +B
s + 1+
C
s 2 +D
(s 2)2Multiplicando-se Y (s) por (s 3)(s + 1)(s 2)2 obtemos
s3 6s2 + 12s 5 =A(s + 1)(s2 4s + 4) + B(s 3)(s2 4s + 4) +C(s2 2s 3)(s 2) + D(s2 2s 3)
19 de fevereiro de 2003 Reginaldo J. Santos
-
62 7 EXERCICIOS SOBRE TRANSFORMADA DE LAPLACE
Comparando-se os termos de mesmo grau obtemos o sistema
A + B + C = 13A 7B 4C + D = 6
16B + C 2D = 124A 12B + 6C 3D = 5
Resolvendo-se o sistema por escalonamento obtemos a solucao A = 1, B = 2/3,
C = 2/3 e D = 1. Assim,
Y (s) =1
s 3 +2/3
s + 1 2/3
s 2 1
(s 2)2
y(t) = e3t +2
3et 2
3e2t te2t
0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8
1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
x
y
(e)(s2Y (s) sy(0) y(0)
)+ 4Y (s) = 3
2
s2 + 4
Substituindo-se os valores y(0) = 2 e y(0) = 1 obtemos(s2 + 4
)Y (s) = 3
2
s2 + 4+ 2s 1
Assim,
Y (s) =6
(s2 + 4)2+
2s 1s2 + 4
Equacoes Diferenciais Lineares de 2a. Ordem 19 de fevereiro de 2003
-
63
=6
16
16
(s2 + 4)2+ 2
s
s2 + 4 1
s2 + 4
=3
8
8
(s2 + 4)2+ 2
s
s2 + 4 1
2
2
s2 + 4
y(t) =3
8(sen 2t 2t cos 2t) + 2 cos 2t 1
2sen 2t
= 2 cos 2t 18sen 2t 3
4t cos 2t
1 0 1 2 3 4 5 63
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0.5
1
1.5
2
x
y
(f)(s2Y (s) sy(0) y(0)
)+ Y (s) =
1
s e
s/2
s
Substituindo-se os valores y(0) = 0 e y(0) = 1 obtemos
(s2 + 1
)Y (s) =
1
s e
s/2
s+ 1
Assim,
Y (s) =1
s(s2 + 1)+
1
s2 + 1 e
s/2
s(s2 + 1)
=1
s2 + 1+ H(s) es/2H(s),
em que
H(s) =1
s(s2 + 1)
19 de fevereiro de 2003 Reginaldo J. Santos
-
64 7 EXERCICIOS SOBRE TRANSFORMADA DE LAPLACE
y(t) = sen t + h(t) h(t /2)u/2(t).
H(s) =A
s+
Bs + C
s2 + 1.
Multiplicando-se H(s) por s(s2 + 2s + 2) obtemos
1 = A(s2 + 1) + (Bs + C)s = (A + B)s2 + Cs + A
A + B = 0C = 0
A = 1
que tem solucao A = 1, B = 1 e C = 0. Assim,
H(s) =1
s s
s2 + 1
De onde obtemos que a funcao cuja transformada de Laplace e H(s) e
h(t) = 1 cos t
e a solucao do problema de valor inicial e dado por
y(t) = sen t + h(t) h(t /2)u/2(t) = 1 cos t + sen t u/2(t)(1 sen t).
2 0 2 4 6 8 10 122.5
2
1.5
1
0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
x
y
(g)
(s2Y (s) sy(0) y(0)
)+ 2 (sY (s) y(0)) + 2Y (s) = 2e
s
s 2e
2s
s
Equacoes Diferenciais Lineares de 2a. Ordem 19 de fevereiro de 2003
-
65
Substituindo-se os valores y(0) = 0 e y(0) = 1 obtemos
(s2 + 2s + 2
)Y (s) = 2
es e2ss
+ 1
Assim,
Y (s) = 2es e2s
s(s2 + 2s + 2)+
1
s2 + 2s + 2
= (es e2s)H(s) + 1(s + 1)2 + 1
,
em que
H(s) =2
s(s2 + 2s + 2)
y(t) = h(t )u(t) h(t 2)u2(t) + etsen t.
H(s) =A
s+
Bs + C
s2 + 2s + 2.
Multiplicando-se H(s) por s(s2 + 2s + 2) obtemos
2 = A(s2 + 2s + 2) + (Bs + C)s = (A + B)s2 + (2A + C)s + 2A
A + B = 02A + C = 02A = 2
que tem solucao A = 1, B = 1 e C = 2. Assim,
H(s) =1
s s + 2
s2 + 2s + 2=
1
s s + 2
(s + 1)2 + 1
=1
s s + 1
(s + 1)2 + 1 1
(s + 1)2 + 1
De onde obtemos que a funcao cuja transformada de Laplace e H(s) e
h(t) = 1 et cos t et sen t
e a solucao do problema de valor inicial e dado por
y(t) = h(t )u(t) h(t 2)u2(t) + etsen t.
19 de fevereiro de 2003 Reginaldo J. Santos
-
66 7 EXERCICIOS SOBRE TRANSFORMADA DE LAPLACE
2 0 2 4 6 8 10 120.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
x
y
(h)(s2Y (s) sy(0) y(0)
)+ 4Y (s) =
1
s2 + 1 e2s 1
s2 + 1
Substituindo-se os valores y(0) = 0 e y(0) = 0 obtemos
(s2 + 4
)Y (s) =
1
s2 + 1 e
2s
s2 + 1
Assim,
Y (s) =1
(s2 + 1)(s2 + 4) e
2s
(s2 + 1)(s2 + 4)
= H(s) e2sH(s)
em que
H(s) =1
(s2 + 1)(s2 + 4)
y(t) = h(t) u2(t)h(t 2)
H(s) =As + B
s2 + 1+
Cs + D
s2 + 4
Multiplicando-se por (s2 + 1)(s2 + 4):
1 = (As + B)(s2 + 4) + (Cs + D)(s2 + 1)
= (A + C)s3 + (B + D)s2 + (4A + C)s + (4B + D)
Equacoes Diferenciais Lineares de 2a. Ordem 19 de fevereiro de 2003
-
67
Comparando-se os termos de mesmo grau obtemos o sistema
A + C = 0B + D = 0
4A + C = 04B + D = 1
Resolvendo-se o sistema obtemos a solucao A = 0, B = 1/3, C = 0 e D = 1/3.Assim,
H(s) =1/3
s2 + 1+
1/3s2 + 4
h(t) =1
3sen t 1
6sen 2t
y(t) = h(t) u2(t)h(t 2) =1
3sen t 1
6sen 2t u2(t)(
1
3sen t 1
6sen 2t)
1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 90.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
x
y
(i)(s2Y (s) sy(0) y(0)
)+ 4Y (s) =
1
s2 + 1+ es
1
s2 + 1Substituindo-se os valores y(0) = 0 e y(0) = 0 obtemos
(s2 + 4
)Y (s) =
1
s2 + 1+
es
s2 + 1
Assim,
Y (s) =1
(s2 + 1)(s2 + 4)+
es
(s2 + 1)(s2 + 4)
= H(s) + esH(s)
19 de fevereiro de 2003 Reginaldo J. Santos
-
68 7 EXERCICIOS SOBRE TRANSFORMADA DE LAPLACE
em que
H(s) =1
(s2 + 1)(s2 + 4)
y(t) = h(t) + u(t)h(t )
Do exerccio anterior temos que
H(s) =1/3
s2 + 1+
1/3s2 + 4
Assim,
h(t) =1
3sen t 1
6sen 2t
e portanto
y(t) = h(t) + u(t)h(t ) =1
3sen t 1
6sen 2t + u(t)(
1
3sen t 1
6sen 2t)
1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 90.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
x
y
(j)(s2Y (s) sy(0) y(0)
)+ 3 (sY (s) y(0)) + 2Y (s) = 1
s e
10s
s
Substituindo-se os valores y(0) = 0 e y(0) = 0 obtemos
(s2 + 3s + 2
)Y (s) =
1
s e
10s
s
Assim,
Y (s) =1
s (s2 + 3s + 2) e
10s
s (s2 + 3s + 2)= H(s) e10sH(s)
Equacoes Diferenciais Lineares de 2a. Ordem 19 de fevereiro de 2003
-
69
em que
H(s) =1
s (s2 + 3s + 2)
y(t) = h(t) u10(t)h(t 10).
H(s) =1
s (s2 + 3s + 2)=
1
s(s + 1)(s + 2)=
A
s+
B
s + 1+
C
s + 2
Multiplicando H(s) por s (s2 + 3s + 2) obtemos
1 = A(s2 + 3s + 2
)+Bs(s+2)+Cs(s+1) = (A+B+C)s2+(3A+2B+C)s+2A
A + B + C = 03A + 2B + C = 02A = 1
que tem solucao A = 1/2, B = 1 e C = 1/2. Assim,
H(s) =1
2
1
s 1
s + 1+
1
2
1
s + 2
h(t) =1
2 et + 1
2e2t
y(t) = h(t) u10(t)h(t 10)
0 5 10 15 200.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
x
y
(k)(s2Y (s) sy(0) y(0)
)+ 3 (sY (s) y(0)) + 2Y (s) = e
2s
s
19 de fevereiro de 2003 Reginaldo J. Santos
-
70 7 EXERCICIOS SOBRE TRANSFORMADA DE LAPLACE
Substituindo-se os valores y(0) = 0 e y(0) = 1 obtemos
(s2 + 3s + 2
)Y (s) =
e2s
s+ 1
Assim,
Y (s) =1
s2 + 3s + 2+
e2s
s (s2 + 3s + 2)= Y1(s) + e
2sH(s)
em que
H(s) =1
s (s2 + 3s + 2)e Y1(s) =
1
s2 + 3s + 2
y(t) = y1(t) u2(t)h(t 2).
Y1(s) =1
s2 + 3s + 2= Y1(s) =
1
(s + 1)(s + 2)=
A
s + 1+
B
s + 2
Multiplicando Y1(s) por s2 + 3s + 2:
1 = A(s + 2) + B(s + 1) = (A + B)s + (2A + B)
{A + B = 0
2A + B = 1
que tem solucao A = 1 e B = 1. Assim,
Y1(s) =1
s + 1 1
s + 2
y1(t) = et e2t.
Do exerccio anterior
H(s) =1
2
1
s 1
s + 1+
1
2
1
s + 2
h(t) =1
2 et + 1
2e2t
y(t) = y1(t) + u2(t)h(t 2) = et e2t + u2(t)h(t 2)
Equacoes Diferenciais Lineares de 2a. Ordem 19 de fevereiro de 2003
-
71
2 0 2 4 6 8 100.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
x
y
(l)(s2Y (s) sy(0) y(0)
)+ Y (s) =
e3s
s
Substituindo-se os valores y(0) = 0 e y(0) = 1 obtemos
(s2 + 1
)Y (s) =
e3s
s+ 1
Assim,
Y (s) =e3s
s(s2 + 1)+
1
s2 + 1
= e3sH(s) +1
s2 + 1,
em que
H(s) =1
s(s2 + 1)
y(t) = sen t + h(t 3)u3(t).
H(s) =A
s+
Bs + C
s2 + 1.
Multiplicando-se H(s) por s(s2 + 2s + 2) obtemos
1 = A(s2 + 1) + (Bs + C)s = (A + B)s2 + Cs + A
A + B = 0C = 0
A = 1
19 de fevereiro de 2003 Reginaldo J. Santos
-
72 7 EXERCICIOS SOBRE TRANSFORMADA DE LAPLACE
que tem solucao A = 1, B = 1 e C = 0. Assim,
H(s) =1
s s
s2 + 1
De onde obtemos que a funcao cuja transformada de Laplace e H(s) e
h(t) = 1 cos t
y(t) = sen t + h(t 3)u3(t) = sen t + u3(t)[1 cos(t 3)]
5 0 5 10 15 20 251
0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
x
y
(m)
(s2Y (s) sy(0) y(0)
)+ (sY (s) y(0)) + 5
4Y (s) =
1
s2 + 1+ es
1
s2 + 1
Substituindo-se os valores y(0) = 0 e y(0) = 0 obtemos(
s2 + s +5
4
)
Y (s) =1
s2 + 1+ es
1
s2 + 1
Assim,
Y (s) =1
(s2 + 1)(s2 + s + 5
4
) + es1
(s2 + 1)(s2 + s + 5
4
)
= H(s) + esH(s)
em que
H(s) =1
(s2 + 1)(s2 + s + 5
4
)
Equacoes Diferenciais Lineares de 2a. Ordem 19 de fevereiro de 2003
-
73
y(t) = h(t) + u(t)h(t )
H(s) =1
(s2 + 1)(s2 + s + 5
4
) =As + B
s2 + 1+
Cs + D
s2 + s + 54
Multiplicando-se H(s) por (s2 + 1)(s2 + s + 5
4
):
1 = (As + B)(s2 + s +5
4) + (Cs + D)(s2 + 1)
= (A + C)s3 + (A + B + D)s2 + (5
4A + B + C)s + (
5
4B + D)
A + C = 0A + B + D = 0
54A + B + C = 0
54B + D = 1
Resolvendo-se o sistema por escalonamento obtemos a solucao A = 16/17,B = 4/17, C = 16/17 e D = 12/17. Assim,
H(s) =4
17
(4s + 1s2 + 1
+4s + 3
s2 + s + 54
)
=4
17
(
4 ss2 + 1
+1
s2 + 1+
4s + 3
(s + 1/2)2 + 1
)
=4
17
(
4 ss2 + 1
+1
s2 + 1+ 4
s + 3/4
(s + 1/2)2 + 1
)
=4
17
(
4 ss2 + 1
+1
s2 + 1+ 4
s + 1/2
(s + 1/2)2 + 1+
1
(s + 1/2)2 + 1
)
h(t) =4
17
(4 cos t + sen t + 4et/2 cos t + et/2 sen t
)
y(t) = h(t) + u(t)h(t )
19 de fevereiro de 2003 Reginaldo J. Santos
-
74 7 EXERCICIOS SOBRE TRANSFORMADA DE LAPLACE
2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 182
1.5
1
0.5
0
0.5
1
1.5
2
x
y
(n)(s2Y (s) sy(0) y(0)
)+ 4Y (s) = 2
es
s 2e
3s
s
Substituindo-se os valores y(0) = 0 e y(0) = 0 obtemos
(s2 + 4
)Y (s) = 2
es e3ss
Assim,
Y (s) = 2es e2s
s(s2 + 4)
= (es e3s)H(s),
em que
H(s) =2
s(s2 + 4)
y(t) = u(t)h(t ) u3(t)h(t 3).
H(s) =2
s(s2 + 4)=
A
s+
Bs + C
s2 + 4.
Multiplicando-se H(s) por s(s2 + 4) obtemos
2 = A(s2 + 4) + (Bs + C)s = (A + B)s2 + Cs + 4A
A + B = 0C = 0
4A = 2
Equacoes Diferenciais Lineares de 2a. Ordem 19 de fevereiro de 2003
-
75
que tem solucao A = 1/2, B = 1/2 e C = 0. Assim,
H(s) =1
2
1
s 1
2
s
s2 + 4
De onde obtemos que a funcao cuja transformada de Laplace e H(s) e
h(t) =1
4 1
4cos 2t
y(t) = u(t)h(t ) u3h(t 3)
2 0 2 4 6 8 10 120.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
x
y
(o)(s2Y (s) sy(0) y(0)
)+ Y (s) = e2s cos(2)
Substituindo-se os valores y(0) = 0 e y(0) = 1 obtemos
(s2 + 1
)Y (s) = e2s + 1
Assim,
Y (s) =e2s
s2 + 1+
1
s2 + 1
e a solucao do problema de valor inicial e dado por
y(t) = u2(t) sen(t 2) + sen t = (u2(t) + 1)sen t.
19 de fevereiro de 2003 Reginaldo J. Santos
-
76 7 EXERCICIOS SOBRE TRANSFORMADA DE LAPLACE
(p)(s2Y (s) sy(0) y(0)
)+ 4 (sY (s) y(0)) + 4Y (s) = G(s)
Substituindo-se os valores y(0) = 2 e y(0) = 3 obtemos(s2 + 4s + 4
)Y (s) = G(s) + 5 + 2s
Assim,
Y (s) =G(s)
s2 + 4s + 4+
5 + 2s
s2 + 4s + 4
=G(s)
(s + 2)2+
5 + 2s
(s + 2)2
5 + 2s
(s + 2)2=
A
s + 2+
B
(s + 2)2
Multiplicando-se por (s + 2)2 obtemos
5 + 2s = A(s + 2) + B = As + (2A + B)
Comparando-se os termos de mesmo grau obtemos o sistema
{A = 2
2A + B = 5
que tem solucao A = 2 e B = 1. Assim,
Y (s) =G(s)
(s + 2)2+
2
s + 2+
1
(s + 2)2
y(t) = (e2tt g)(t) + 2e2t + e2tt
=
t
0
e2(t)(t )g()d + 2e2t + e2tt
Equacoes Diferenciais Lineares de 2a. Ordem 19 de fevereiro de 2003
-
REFERENCIAS 77
Referencias
[1] William E. Boyce and Richard C. DiPrima. Equacoes Diferenciais Elementares e
Problemas de Valores de Contorno. Livros Tecnicos e Cientficos Editora S.A., Rio de
Janeiro, 7a. edition, 2002.
[2] Erwin Kreiszig. Matematica Superior. Livros Tecnicos e Cientficos Editora S.A., Rio
de Janeiro, 2a. edition, 1985.
[3] Reginaldo J. Santos. Um Curso de Geometria Analtica e Algebra Linear. Imprensa
Universitaria da UFMG, Belo Horizonte, 2002.
[4] Dennis G. Zill and Michael R. Cullen. Equacoes Diferenciais. Makron Books, Sao
Paulo, 3a. edition, 2001.
19 de fevereiro de 2003 Reginaldo J. Santos
Equaes HomogneasSolues FundamentaisFrmula de EulerObtendo uma Segunda Soluo
Eqs. Homogneas com Coeficientes ConstantesA Equao Caracterstica Tem Duas Razes ReaisA Equao Caracterstica Tem Duas Razes ComplexasA Equao Caracterstica Tem Somente Uma Raiz Real
Equaes no HomogneasEqs. Lineares no Homogneas com Coeficientes Constantes
Equaes com Coeficientes no ConstantesSubstituies em Equaes de 2a. OrdemEquaes que no Contm yEquaes que no Contm tEquaes de Euler
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