Enunciado

Em cada um dos problemas de 9 a 16, encontre a solução do problema de valor inicial dado. Esboce o gráfico da solução e descreva seu comportamento quando t aumenta.

y ' ' + 5 y ' + 3 y = 0 ,     y 0 = 1 ,     y ' 0 = 0

Passo 1

Para resolvermos esse problema iremos analisar cada tipo de EDO e escolher o melhor método para resolvermos a mesma. Após isso, vamos aplicar esse método nos atentando com os casos complicados que podem aparecer. Para o problema de valor inicial, usaremos uma relação dada no capítulo para as constantes, onde resolvemos um sistema e chegamos que

c 1 = y 0 ' - y 0 ⋅ r 2 r 1 - r 2 ⋅ e - r 1 ⋅ t 0 ,     c 2 = y 0 ⋅ r 1 - y 0 ' r 1 - r 2 ⋅ e - r 2 ⋅ t 0

Vamos resolver juntos!!

Passo 2

Bom, como para esse capítulo vamos apenas cair no caso onde a nossa equação característica é dada por r 1 ≠ r 2 , temos que haverá duas soluções para nossa equação. Supondo então que nossa solução é dada por y = e r ⋅ t , temos que nossa solução geral será

y = c 1 ⋅ e r 1 ⋅ t + c 2 ⋅ e r 2 ⋅ t e

y ' = c 1 ⋅ r 1 ⋅ e r 1 t + c 2 ⋅ r 2 ⋅ e r 2 t  

Ficando com y ' = r ⋅ e r ⋅ t e y ' ' = r 2 ⋅ e r ⋅ t . Substituindo em nossa EDO, temos que

r 2 + 5 r + 3 ⋅ e r ⋅ t = 0

r 2 + 5 r + 3 = 0

Caimos em uma equação de segundo grau. Resolvendo pelo método de Bhaskara, chegamos que

r = - b ± b 2 - 4 ⋅ a ⋅ c 2 ⋅ a = - 5 ± 13 2

Tendo como raízes r 1 = - 5 + 13 2   e r 2 = - 5 - 1 3 2   . Assim, temos que nossa solução geral para a EDO dada é

y = c 1 ⋅ e - 5 + 1 3 2 t + c 2 ⋅ e - 5 - 1 3 2 t

Passo 3

Aplicando as condições de contorno, temos que nossas constantes serão dadas pela relação mostrada no Passo 1, assim temos que

c 1 = y 0 ' - y 0 ⋅ r 2 r 1 - r 2 ⋅ e - r 1 ⋅ t 0 = 0 - 1 ⋅ - 5 - 1 3 2 - 5 + 1 3 2 - - 5 - 1 3 2 ⋅ e - - 5 + 1 3 2 ⋅ 0 = - - 5 - 13 2 13 = 1 2 + 5 2 13

c 2 = y 0 ⋅ r 1 - y 0 ' r 1 - r 2 ⋅ e - r 2 ⋅ t 0 = 1 ⋅ - 5 + 13 2 - 0 - 5 + 13 2 - - 5 - 13 2 ⋅ e - - 5 - 13 2 ⋅ 0 = - 5 + 13 2 13 = 1 2 - 5 2 13

Assim nossa equação que satisfaz a EDO é

y = 1 2 + 5 2 13 ⋅ e - 5 + 13 2 t + 1 2 - 5 2 13 ⋅ e - 5 - 13 2 t

E o gráfico é algo desse tipo

onde para t < 0 , y cresce conforme t aumenta e para t > 0 , y decresce conforme t aumenta.

Resposta

y = 1 2 + 5 2 13 ⋅ e - 5 + 13 2 t + 1 2 - 5 2 13 ⋅ e - 5 - 13 2 t

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Resolva a equaçãol) d 2 x d t 2 + 3 d x d t = 0
Resolva a equaçãof) d 2 x d t 2 + 2 d x d t + x = 0
Resolva a equaçãoi) d 2 y d x 2 + 5 d y d x = 0
Resolva a equaçãob) d 2 x d t 2 - 2 d x d t + x = 0
Resolva a equaçãoa) d 2 x d t 2 - 2 d x d t - 3 x = 0