(a) Transforme o sistema dado em uma única equação de segunda ordem.

x' = 2 * x2;

x' = -2 * x1

(b) Encontre a solução do sistema dado que também satisfaz as condições iniciais x₁(0) = 3 , x₂(0) = 4 .

(c) Esboce o gráfico da solução no plano x1 * x2 para t >= 0 .

Passo 1

O item (a) nos pede para resolver o sistema de equações. Para isso, vamos primeiro deixar x 2 em função de x 1 :

x 1 ' = 2 x 2

x 2 = 1 2 x 1 '

Substituindo x 2 na segunda equação:

x 2 ' = - 2 x 1

1 2 x 1 ' ' = - 2 x 1

1 2 x 1 ' ' = - 2 x 1

1 2 x 1 ' ' + 2 x 1 = 0

Se x 1 = e c t ,

x 1 ' = c e c t

x 1 ' ' = c 2 e c t

Então, nossa equação fica:

1 2 c 2 e c t + 2 e c t = 0

e c t 1 2 c 2 + 2 = 0

1 2 c 2 + 2 = 0

c 2 + 4 = 0

c = 2 i   e   c = - 2 i

Então a solução para x 1 é:

x 1 = C 1 e 2 i t + C 2 e - 2 i t

Em que C 1 e C 2 são duas constantes quaisquer.

Agora que encontramos x 1 podemos usá-lo para obter x 2 :

x 2 = 1 2 x 1 '

x 2 = 1 2 ( C 1 e 2 i t + C 2 e - 2 i t ) '

x 2 = 1 2 ( 2 i C 1 e 2 i t - 2 i C 2 e - 2 i t )

x 2 = i C 1 e 2 i t - i C 2 e - 2 i t

Passo 2

Vamos agora para o item (b). Ele nos pede para encontrar as funções x 1 ( t ) e x 2 ( t ) que também atendem aos valores de condição inicial x 1 0 = 3 , x 2 0 = 4 .

Como vimos no item (a) a função x 1 que é solução do problema é:

x 1 = C 1 e 2 i t + C 2 e - 2 i t

Para t = 0 :

x 1 0 = 3 = C 1 e 0 + C 2 e 0

3 = C 1 + C 2

Analogamente, encontramos a solução para x 2 :

x 2 = i C 1 e 2 i t - i C 2 e - 2 i t

Para t = 0 :

x 2 0 = 4 = i C 1 e 0 - i C 2 e 0

4 = i C 1 - i C 2

Ficamos então com o seguinte sistema:

3 = C 1 + C 2 4 = i C 1 - i C 2

3 = C 1 + C 2 4 i = - C 1 + C 2

Então:

3 + 4 i = 2 C 2 → C 2 = 3 2 + 2 i

C 1 = 3 - C 2 → C 1 = 3 2 - 2 i

Substituindo as cosntantes C 1 e C 2 nas funções solução:

x 1 = 3 2 - 2 i e 2 i t + 3 2 + 2 i e - 2 i t

x 2 = 2 + 3 2 i e 2 i t + 2 - 3 2 i e - 2 i t

Passo 3

Nosso último passo é desenhar as curvas x 1 e x 2 que encontramos no item (b).

Mas antes vamos escrevê-las como:

e c i t = cos ⁡ c t + i sen ⁡ c t

Então:

x 1 = 3 2 - 2 i cos ⁡ 2 t + i sen ⁡ 2 t + 3 2 + 2 i ( cos ⁡ - 2 t + i sen ⁡ - 2 t )

x 1 = 3 2 - 2 i cos ⁡ 2 t + i sen ⁡ 2 t + 3 2 + 2 i ( cos ⁡ 2 t - i sen ⁡ 2 t )

x 1 = 3 2 cos ⁡ 2 t + 2 sen ⁡ 2 t + 3 2 cos ⁡ 2 t + 2 sen ⁡ 2 t

x 1 = 3 cos ⁡ 2 t + 4 sen ⁡ 2 t

E

x 2 = 2 + 3 2 i cos ⁡ 2 t + i sen ⁡ 2 t + 2 - 3 2 i ( cos ⁡ - 2 t + i sen ⁡ - 2 t )

x 2 = 2 + 3 2 i cos ⁡ 2 t + i sen ⁡ 2 t + 2 - 3 2 i ( cos ⁡ 2 t - i sen ⁡ 2 t )

x 2 = 2 cos ⁡ 2 t - 3 2 sen ⁡ 2 t + 2 cos ⁡ 2 t - 3 2 sen ⁡ 2 t  

x 2 = 4 cos ⁡ 2 t - 3 sen ⁡ 2 t

Elas são esboçadas a seguir:

Resposta

Ei, a resposta está no passo a passo :)

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