Enunciado

Considere o sistema de equações diferenciais y ' = A y , em que A é uma matriz 2 × 2 . Com quais valores de a 11 , a 12 , a 21 , a 22 os componentes y 1 t , y 2 t das soluções tendem a zero com t → ∞ ? Em particular, o que deve ser verdade sobre o determinante e o traço de A para isso ocorrer?

Passo 1

Oi pessoal, tudo bem? Vamos analisar essa questão.

Considere um sistema de equações diferenciáveis:

y ' = A y

Considere que a matriz 2 × 2 é dada por:

A = a 11 a 21       a 12 a 22

E a matriz y é dada por:

y = y 1 y 2

A equação escrita em forma matricial será:

y 1 ' y 2 ' = a 11 a 21       a 12 a 22 y 1 y 2

y 1 ' y 2 ' = a 11 y 1 + a 12 y 2 a 21 y 1 + a 22 y 2

Assim, temos que a solução será:

y 1 ' = a 11 y 1 + a 12 y 2

y 2 ' = a 21 y 1 + a 22 y 2

Passo 2

A matriz A deve ser diagonalizável por qualquer matriz P cujas colunas sejam autovetores linearmente independentes de A . Temos que:

det ⁡ λ I - A = λ - a 11 - a 21       - a 12 λ - a 22

det ⁡ λ I - A = λ 2 - a 11 + a 22 λ + a 11 a 22 - a 12 a 21

Igualando o determinante a zero e resolvendo a equação, obtemos:

λ 1 = - a 11 + a 22 + a 11 - a 22 2 + 4 a 12 a 21 2

λ 2 = - a 11 + a 22 - a 11 - a 22 2 + 4 a 12 a 21 2

Sabemos que a solução da equação diferencial é dada por:

y 1 t = c 1 e λ 1 t + c 2 e λ 2 t

E:

y 2 t = c 3 e λ 1 t + c 4 e λ 2 t

Do enunciado, temos que se y 1 t e y 2 t tendem a zero, então t → ∞ , portanto os valores de λ devem ser negativos para que o termo tenda a zero.

O valore de λ 1 só é negativo quando:

- a 11 + a 22 > a 11 - a 22 2 + 4 a 12 a 21

Desenvolvendo e fazendo as devidas manipulações, temos que:

a 11 a 22 > a 12 a 21

Passo 3

Com este resultado, podemos investigar o comportamento do determinante de A .

Temos que:

A = a 11 a 21       a 12 a 22

det ⁡ A = a 11 a 22 - a 12 a 21

Da relação anterior, temos que:

a 11 a 22 > a 12 a 21

a 11 a 22 - a 12 a 21 > 0

Logo, podemos dizer que:

det ⁡ A > 0

O determinante de A é sempre maior que zero para que a condição de existência seja respeitada.

Passo 4

O traço de A é dado por:

t r A = ∑ i = 1 n a i i

Ou seja, a soma dos elementos da diagonal principal de A . Existe também uma relação entre o autovalor e o traço da matriz de A quando a matriz é 2 × 2 e possui entradas reais ou complexas e quando λ 1 e λ 2 aparecem na diagonal principal. Ou seja:

t r A = ∑ i = 1 n λ i

O traço da matriz quadrada é dado por:

t r A = λ 1 + λ 2

t r A = - a 11 + a 22 + a 11 - a 22 2 + 4 a 12 a 21 2 + - a 11 + a 22 - a 11 - a 22 2 + 4 a 12 a 21 2

t r A = - 2 a 11 + a 22 2

t r A = - a 11 - a 22

Portanto, o traço de A é negativo porque os elementos diagonais são negativos, e é por isso que sua soma é negativa.

Resposta

O det ⁡ A e o t r A serão negativos.

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Reescrevendo 11 em forma matricial, mostre que a solução do sistema no Exemplo 2 pode ser expressa por y = c 1 e 2 x 1 1 + c 2 e - 3 x - 1 4 1 Essa solução é denominada solução geral do sistema.Observ