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7.2: Ecuaciones diferenciales de primer orden

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    85391
  • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    Introducción

    Consideramos la ecuación diferencial general de primer orden:

    \[\tau \dfrac{d y(t)}{d t}+y(t)=x(t) \nonumber \]

    La solución general viene dada por:

    \[y(t)=y_{0} e^{-\left(t-t_{0}\right) / \tau}+\dfrac{e^{-\left(t-t_{0}\right) / \tau}}{\tau} \int_{t_{0}}^{t} x\left(t^{\prime}\right) e^{\left(t^{\prime}-t_{0}\right) / \tau} d t^{\prime} \nonumber \]

    donde\(y_{0}=y \left(t-t_{0}\right)\). Tenga en cuenta que\(t^{\prime}\) se utiliza para distinguirse del límite superior\(t\) de la integral.

    Para obtener la solución general, comience con la ecuación diferencial de primer orden:

    \[\tau \dfrac{d y(t)}{d t}+y(t)=x(t) \nonumber \]

    Divide ambos lados por\(\tau\):

    \[\dfrac{d y(t)}{d t}+\dfrac{1}{\tau} y(t)=\dfrac{1}{\tau} x(t) \nonumber \]

    Reescribe el LHS en forma condensada usando el factor de integración\(e^{ − t / τ}\):

    \[e^{-t / \tau} \dfrac{d}{d t}\left[e^{t / \tau} y(t)\right]=\dfrac{1}{\tau} x(t) \nonumber \]

    Observe cómo una diferenciación de cadena devolverá el LHS al formulario anterior

    Simplificar:

    \[\dfrac{d}{d t}\left[e^{t / \tau} y(t)\right]=\dfrac{1}{\tau} x(t) e^{t / \tau} \nonumber \]

    Integrar ambos lados:

    \[e^{t / \tau} y(t)-e^{t_{0} / \tau} y\left(t_{0}\right)=\dfrac{1}{\tau} \int_{t_{0}}^{t} x\left(t^{\prime}\right) e^{t^{\prime} / \tau} d t^{\prime} \nonumber \]

    Resolver para\(y(t)\):

    \[y(t)=y_{0} e^{-\left(t-t_{0}\right) / \tau}+\dfrac{e^{-t / \tau}}{\tau} \int_{t_{0}}^{t} x\left(t^{\prime}\right) e^{t^{\prime} / \tau} d t^{\prime} \nonumber \]

    Ejemplo\(\PageIndex{1}\): Solutions of First Order Differential Equations

    Considerar:

    \[\dfrac{d y(t)}{d t}=x(t) \nonumber \]

    Multiplicando ambos lados por\(dt\) da:

    \[\int_{t_{0}}^{t} \dfrac{d y d t}{d t}=\int_{t_{0}}^{t} x\left(t^{\prime}\right) d t^{\prime} \nonumber \]

    La solución general se da como:

    \[y(t)=y_{0}+\int_{t_{0}}^{t} x\left(t^{\prime}\right) d t^{\prime} \nonumber \]

    Ahora considere:

    \[\dfrac{d y(t)}{d t}=-a y(t) \nonumber \]

    Dividiendo ambos lados por\(y(t)\) da:

    \[\dfrac{1}{y(t)} \dfrac{d y(t)}{d t}=-a \nonumber \]

    que se puede reescribir como:

    \[\dfrac{d}{d t}[\ln (y(t))]=-a \nonumber \]

    Multiplicar ambos lados por\(dt\), integrar y establecer ambos lados de la ecuación como exponentes a la función exponencial da la solución general:

    \[y(t)=y_{0} e^{-a\left(t-t_{0}\right)} \nonumber \]

    Ahora considere:

    \[\dfrac{d y(t)}{d t}=-a y(t)+x(t) \nonumber \]

    Los pasos detallados de la solución son los siguientes:

    1. Separar\(y(t)\) y\(x(t)\) términos

    \[\dfrac{d y(t)}{d t}+a y(t)=x(t) \nonumber \]

    2. Reescribir el LHS en forma condensada usando el “factor integrador”\(e^{ − at}\)

    \[e^{-a t} \dfrac{d\left(e^{a t} y(t)\right)}{d t}=x(t) \nonumber \]

    Observe cómo una diferenciación en cadena devolverá el LHS al formulario escrito en el paso 1

    3. Divide ambos lados por\(e^{− at}\)

    \[\dfrac{d\left(e^{a t} y(t)\right)}{d t}=e^{a t} x(t) \nonumber \]

    4. Multiplicar ambos lados por\(dt\) e integrar

    \[e^{a t} y(t)-e^{a t_{0}} y_{0}=\int_{t_{0}}^{t} x\left(t^{\prime}\right) e^{a t^{\prime}} d t^{\prime} \nonumber \]

    La solución general se da como:

    \[y(t)=y_{0} e^{-a\left(t-t_{0}\right)}+e^{-a t} \int_{t_{0}}^{t} x\left(t^{\prime}\right) e^{a\left(t^{\prime}-t_{0}\right)} d t^{\prime} \nonumber \]

    Simplificación de la función escalonada

    \[\tau \dfrac{d y(t)}{d t}+y(t)=x(t) \nonumber \]

    Para\(x(t)=\Theta\left(t-t_{0}\right)\), que es la función de paso y\(y_{0}=0\)

    Es decir,\(x(t)=1\) para\( t_0 > t_o\) y de\(x(t)=0\) otra manera:

    La solución general previamente derivada:

    \[y(t)=y_{0} e^{-\left(t-t_{0}\right) / \tau}+\dfrac{e^{-\left(t-t_{0}\right) / \tau}}{\tau} \int_{t_{0}}^{t} x\left(t^{\prime}\right) e^{\left(t^{\prime}-t_{0}\right) / \tau} d t^{\prime} \nonumber \]

    reduce a:

    \[y(t)=e^{-\left(t-t_{0}\right) / \tau} \nonumber \]

    ya que la integral es igual a 1.

    \(tau\)Se puede ver que la cantidad es la constante de tiempo por la cual\(y(t)\) cae a\(1/e\) su valor original

    Ejemplo\(\PageIndex{2}\)

    Considerar la ecuación diferencial

    \[\dfrac{d y(t)}{d t}=-0.5 y(t)+x(t) \nonumber \]

    donde\(x(t)=2+0.01 t\)

    Asumiendo\(y_o =0\), ¿cuál es el comportamiento de\(y(t)\)?

    Solución

    La solución general se derivó previamente como:

    \[y(t)=y_{0} e^{-a\left(t-t_{0}\right)}+e^{-a t} \int_{t_{0}}^{t} x\left(t^{\prime}\right) e^{a\left(t^{\prime}-t_{0}\right)} d t^{\prime} \nonumber \]

    Para\(a=0.5\) y\(y_o = 0\), mientras se establece\(t_o=0\), la solución se reduce a:

    \[y(t)=e^{-0.5 t} \int_{0}^{t}\left(2+0.01 t^{\prime}\right) e^{0.5\left(t^{\prime}\right)} d t^{\prime} \nonumber \]

    El siguiente enlace puede ser referido para tablas integrales: S.O.S. Math

    Simplificar la solución da lo siguiente:

    \[y(t)=\dfrac{\left.\left(e^{-0.5 t}\right)\left((x+198)\left(e^{0.5 t}\right)-198\right)\right)}{50} \nonumber \]

    Al trazar esta función se muestra el siguiente comportamiento:

    lot.jpg

    Como se puede apreciar claramente en la gráfica, inicialmente la respuesta sistémica muestra características más exponenciales. Sin embargo, a medida que avanza el tiempo, domina el comportamiento lineal.


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