1.differential equations for engineers. wei-chau xie. cambridge university press 978-0-511-77622-9...

64

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1. Differential equations for engineers. Wei-Chau Xie. Cambridge University Press 978-0-511-77622-9

2. Differential Equations with Applications and Historical Notes. Second edition. Simmons

3. Differential Equations, third edition. Shepley L. Ross

4. Differential Equations. Linear, Nonlinear, Ordinary, Partial. A.C. King, J. Billingham and S.R. Otto 0521016878

5. Ordinary and Partial Differential Equations. Agarwal & Regan. 0387791450

I. Ecuaciones diferenciales de primer orden1. Teoría básica y métodos de solución. 2. Breviario de aplicaciones físicas.

II. Ecuaciones diferenciales de segundo orden1. Ecuaciones homogéneas de coeficientes constantes. 2. Ecuación de Euler-Cauchy. 3. Ecuaciones heterogénea y métodos de solución.

Coeficientes indeterminados y variación de parámetros. 4. Solución en series de potencias. 5. Ecuaciones diferenciales de Bessel, Legendre, Hermite y Laguerre 6. Solución usando transformada de Fourier.7. Funciones especiales: gamma y error.

III. Introducción a las ecuaciones en derivadas parciales1. Ecuaciones lineales y separación de variables. 2. Problemas de condición de frontera, valores propios y funciones

propias. 3. Ecuaciones especiales: de difusión, de onda y de Laplace. 4. Solución en series de Fourier.

1 1 1

2 2 2

1 2 1 2 1 2

1

, , ,

, , , .

y P x y Q x y x

y a y a

y b y b

P Q a b

Resolver

con las condiciones a la frontera

Las funciones son continuas en

Las cantidades , , , , , son constantes reales.

Suponemos que 1

2 2

y no son cero ambas,

y suponemos que y no son cero ambas.

La letra es un parámetro arbitrario.

1 2, 0 0.x

Se dice que el problema es homogéneo si

y

En caso contrario es inhomogéneo o

no homogéneo.

1 1 1

2 2 2

, , ,y P x y Q x y x

y a y a

y b y b

Resolver

con las condiciones a la frontera

2

2

0

10

0 0 0.

10.

2

t

d I t dI tRI t t t t t

dt L dt LC

dI tI t

dt

R

LLC

Resolver el problema de valores iniciales,

;

con y

Suponemos que

2

2

0

10

10 0 0. 0.

2t

d I t dI tRI t t t t t

dt L dt LC

dI t RI t

dt LLC

Resolver el problema de valores iniciales,

;

con y Suponemos que

, ,2

,

Rb neper frequency

Lattenuation

Definimos la frecuencia is called the or

and is a measure of how fast the transient response

of the circuit will die away after the stimulus has been removed.

Definimo

0

1

LC

I t y t

s que es la frecuencia angular de resonancia.

Asociamos

2202

0

0

2 0

0 0 0.

0.

t

d y t dy tb y t t t t t

dt dt

dy ty t

dt

b

Resolver el problema de valores iniciales,

;

con

y

Suponemos que

:

1

2

1

2

ix

ix

F

F F x e dx

F x F e d

D R R

2202

2202

2

2

d y t dy tb y t t t

dt dt

d y t dy tb y t t t

dt dt

F F

F F F F

2202

0

2 0

0 0 0t

d y t dy tb y t t t t t

dt dt

dy ty t

dt

Resolver el problema de valores iniciales,

;

con

y

:

1 1

2 2ix ix

F

F F x e dx F x F e d

D R R

n

n

n

d f xi f x

dx

F F

1 1

2 2i t i tt t t t e dt e

F

:

1

2

1

2

ix

ix

F

F F x e dx

F x F e d

D R R

2 20

2 20

2 20

12

21

22

1

22

i t

i t

i t

y ib y y e

ib y e

ey

ib

2

202

2d y t dy t

b y t t tdt dt

F F F F

2202

0

2 0

0 0 0t

d y t dy tb y t t t t t

dt dt

dy ty t

dt

;

y

2202

2 20

2

1

22

i t

d y t dy tb y t t t

dt dt

ey

ib

F F F F

2202

0

2 0

0 0 0t

d y t dy tb y t t t t t

dt dt

dy ty t

dt

;

y

2 20

2 20

1 1

22 2

1

2 2

i ti t

i t t

ey t e d

ib

e d

ib

02 20

10

2 2

i t te dy t b

ib

;

2 2 2 2 2 2 2 20 0 0 0

i t t iz t te d e d

ib b ib b z ib b z ib b

( )

k

f z

D

z

C

Sea una función analítica en un dominio

simplemente conexo , excepto en un número

finito de puntos que constituyen singularidades

aisladas de la función. Sea una curva simple,

cerrada y re

gular

2 ,

,

kkC

k

D

f z dz i f z

f z

z

a trozos orientada positivamente,

contenida en y que no pasa por ninguna de las

singularidades. Entonces se tiene:

Res

donde Res es el residuo de la función, en el

punto singular .k

Wikipedia: http://es.wikipedia.org/wiki/Teorema_de_los_residuos

0

0

0

1,

2

( )

C

f z f z dz

f z z z

i

C

R

z

Se denomina residuo de una función analítica

en una singularidad aislada al número

Res

donde representa una circunferencia de centro

y radio en cuyo interior no hay pu

ntos

0.z

singulares

de la función salvo

Wikipedia: http://es.wikipedia.org/wiki/Residuo_(análisis_complejo)

0

0

0

1,

2

( )

C

f z f z dz Ci

R

f z z z

z

Se denomina residuo de una función analítica en una singularidad aislada

al número Res donde representa una circunferencia de centro

y radio en cuyo interior no hay

pun 0.ztos singulares de la función salvo

Wikipedia: http://es.wikipedia.org/wiki/Residuo_(análisis_complejo)

0

0

0

0

1

0 01

( )

( , ) 0

( )

1( , )

1 !limN

N

Nz z

f z z

f z

f z N z

df z z z f z

N dz

Si tiene una singularidad evitable en , el residuo es

Res .

Si tiene un polo de orden en , entonces el residuo

se puede calcular como:

Res

Si e 0

0

,

.

.

1

z

z

l punto es una singularidad esencial el residuo se

calcula desarrollando la función en serie de Laurent en torno a

El residuo es el coeficiente correspondiente a la potencia de

exponente

02 20

10

2 2

i t te dy t b

ib

;

2 2 2 2 2 2 2 20 0 0 0

i t t iz t te d e d

ib b ib b z ib b z ib b

b b

2 20 b 2 2

0 b

x

y

cos sin

0, sin 0

iz t t iR t t R t t

t t

e e e

Hay que cerrrar

por arriba

0y t

02 2 2 2 2 20 0 0

1 10

2 2 2

i t t i t te d e dy t b

ib ib b ib b

;

2 2 2 2 2 2 2 20 0 0 0

i t t iz t te d e d

ib b ib b z ib b z ib b

b b

2 20 b 2 2

0 b

x

y

Hay que cerrrar

por abajo

¡¡¡Agarra uno los

dos polos!!!

cos sin

, 2 sin 0

iz t t iR t t R t t

t t

e e e

2 2 2 20 0

2 2 2 20 0

2 2 2 22 2 2 20 00 0

2 22 2

i t t ib b i t t ib biz t t iz t t

z ib b z ib b

e d e e d e

z ibz z ibzb b

Res ; Res

02 2 2 2 2 20 0 0

1 10

2 2 2

i t t i t te d e dy t b

ib ib b ib b

;

b b

2 20 b 2 2

0 b

x

y

02 2 2 2 2 20 0 0

1 10

2 2 2

i t t i t te d e dy t b

ib ib b ib b

;

b b

2 20 b 2 2

0 b

x

y

2 2 2 20 0 2 2 2 2

0 0

2 2 2 2 2 20 0 0

2 2 2 20 02 2 2 2

0 0

2

2 2 2 2

2 sin sin2

i t t ib b i t t ib b b t ti t t b i t t b

b t t b t t

i e e iey t e e

b b b

ie ei t t b t t b

b b

2 20

0

sinb t t

t t

y t t te t t

b

2202

0

2 0

0 0 0t

d y t dy tb y t t t t t

dt dt

dy ty t

dt

;

y

2

2

0

10

10 0 0, 0

2t

d I t dI tRI t t t t t

dt L dt LC

dI t RI t

dt LLC

;

con y

2

2

0

sin

1 4

2

Rt t

L

t t

I t t te t t

LR

L C

2

sinRt t

Lt t

I t e

250 0.06 3.5

0.02

R L C

t

, H, F

s

I (A)

t (s)

2202

0

2 0

0 0

0

0 0 0t

d y t dy tb y t f t t

dt dt

tf t

f t t

dy ty t

dt

Resolver el problema de valores

iniciales

;

con

y cumpliendo y

2202

0

2 0

0 0

0

0 0 0t

d y t dy tb y t f t t

dt dt

tf t

f t t

dy ty t

dt

Resolver el problema de valores iniciales

;

con

y cumpliendo y

0

,t

y t G t t f t dt

Se propone una solución como

2202

0 0 0

2202

0 0 0

2202

0

, 2 , ,

, ,2 ,

, ,2 ,

t t t

t t t

t

d dG t t f t dt b G t t f t dt G t t f t dt f t

dt dt

d G t t dG t tf t dt b f t dt G t t f t dt f t

dt dt

d G t t dG t tb G t t f t dt f t

dt dt

2202

0

2 0

0 0

0

0 0 0t

d y t dy tb y t f t t

dt dt

tf t

f t t

dy ty t

dt

Resolver el problema de valores iniciales

;

con

y cumpliendo y

0

,t

y t G t t f t dt Se propone

2202

0

, ,¡¡¡¡ 2 , !!!!

t

d G t t dG t tb G t t t t

dt dt

t t f t dt f t

f t f t

Si

y

2202

0

2202

0

2 0

,

, ,2 ,

t

t

d y t dy tb y t f t t

dt dt

y t G t t f t dt

d G t t dG t tb G t t f t dt f t

dt dt

;

Se propone

0

2 20

sintb t t t t

y t e f t dt

b

2202

0

2 0

0 0

0

0 0 0t

d y t dy tb y t f t t

dt dt

tf t

f t t

dy ty t

dt

Resolver el problema de valores iniciales

;

con

y cumpliendo y

0

2202

,

, ,2 ,

t

y t G t t f t dt

d G t t dG t tb G t t t t

dt dt

sin, b t t t t

G t t e

Del problema anterior

2202

0

2 0

0 0

0

0 0 0t

d y t dy tb y t f t t

dt dtt

f tf t t

dy ty t

dt

;

y

2202

2 20

2 20

2 0

2

2

d y t dy tb y t f t t

dt dt

y ib y y f

fy

ib

;

12 20 2

fy t

ib

F

2202

2 20

2 0

2

d y t dy tb y t f t t

dt dt

fy

ib

;

12 *

*

.

f g f t g t

f t g t f g t d

f g

donde

es la convolución de y

F

1

*

1

2

1

2

12

2

12 2

2

i ti

i t i i

i t

i t

f t g t f g t d

d d e f d e g

d f d g e d e e

d f d g e

d f g e f g

F

12 *f g f t g t F

12 20

1 12 20

12 20

2

1 1*

22

1 1*

22

fy t

ib

fib

f tib

F

F F

F

2202

2 20

2 0

2

d y t dy tb y t f t t

dt dt

fy

ib

;

12 20

1*

2y t f t

ib

F

12 2 2 20 0

2 20

1 1

2 22

0 0

sin2 0

i t

bt

ed

ib ib

t

te t

b

F

2202

2 20

2 0

2

d y t dy tb y t f t t

dt dt

fy

ib

;

0

2 20

sintb t t t t

y t e f t dt

b

2202

2 20

2 0

2

d y t dy tb y t f t t

dt dt

fy

ib

;

12 20

12 20

1*

2

0 01

sin2 2 0bt

y t f tib

t

tib e t

F

F

2

2

0

0

10

10 0 0, 0

2

0 0

sin 0

t

f

d I t dI tRI t V t t t

dt L dt LC

dI t RI t

dt LLC

tV t

V t t

;

con y

2

2

0

0

10

10 0 0, 0

2

0 0

cos 0

t

f f

d I t dI tRI t V t t t

dt L dt LC

dI t RI t

dt LLC

tV t

V t t

;

con y

2

0

2

sin

1 4

2

t Rt t

Lt t

I t e V t dt

LR

L C

2 20 0

2 2 20 0

20 0

2 2 202 2 2 2 2

0 0

2 20

(4 ) sin( )

(4 ) 1 cos( )

4(

14 ) 1 cos4

( 2 ) 1 2

1 4(1 )sin

2

Rt

L

Rt

LRt

L

R C L CR e t

C L CR L e tV Le

I t LC L CR L R tL

R C CL CR L L CC

L

C

RCC

C

t

C

CL RL

2

2

0

0

10

10 0 0, 0

2

0 0

cos 0

t

f f

d I t dI tRI t V t t t

dt L dt LC

dI t RI t

dt LLC

tV t

V t t

;

con y

2

0

2

sin

1 4

2

t Rt t

Lt t

I t e V t dt

LR

L C

0 0250 0.06 3.5 60 110R L C V , H, F, Hz, V

I (A)

t (s)

2 , , , ,

, , , ,

x y z f x y z

x y z g x y z

en

en

D

D

2

2

0

0

h p

h

p p

g

f

donde

en , en

y donde

en , en

D D

D D

2 , , , ,

, , , ,

x y z f x y z

x y z g x y z

en

en

D

D

:

1

2

1

2

ix

ix

F

F F x e dx

F x F e d

D R R

3 3

33/2

33/2

:

1

2

1

2

ix

ix

F

F F x e d x

F x F e d

D R R

3 3

3 3

2

2 3 3

3 3

i x i x

ii xx

x

e d f e d

d fe e d

R R

R R

3 3

3 33/2 3/2

1 1

2 2i x i xx e d f x f e d

;

R R

2 f

2 2 22

2 2 2

2 2 2

2 2 2

2 2 2

2

exp

exp exp exp

exp

i xx x y z

x y z x y z x y z

x y z x y z

i x

e i x y zx y z

i x y z i x y z i x y z

x y z

i x y z

e

3 3

2 3 3i xx

i xd f e de

R R

22x

3 3

2 3 3i xx

i xd f e de

R R

2 f

3 3

3 3

2

2i i xxd f e d

f

e

R R

3

3 3

3 3

3 3

33/2 2

3 33/2 2 3/2

3 33 2

3 33 2

1

2

1 1 1

2 2

1 1

2

1

2

i x

i i x

i i x

i x

fx e d

f e d e d

f e e d d

ef d d

R

R R

R R

R R

22 f f

3 3

3 33 2

1

2

i xex f d d

R R 2

2

f

f

3 3

cos2 3

3 2

1sin

2

ir xex f r drd d d

r

R R

3

2coscos2

20 0 0

sin sinir x

ir xer drd d dr d e d

r

R

I

cos

0 0

2 sin ir xdr d e

I

2

0

2d

cos cos

0 0

cos

0

sin

2sin

ir x ir x

ir x ir x ir x

id e d D e

r x

i ie e e

r x r x

x r

r x

cos

00

2 sin ir xd d er

I

0 0

2sin sin42

x r x rdr dr

r x x r

I

0

sin4 x rdr

x r

I

0

sin 1 sin 1Im

2 2

ied d d

p.v. p.v.

0 0 0 0

sin sin sin sinqd d dq d

q

ied

p.v.

0

sind

0

sin 1 sin 1Im

2 2

ied d d

p.v. p.v.

ied i

p.v.

0

sin

2d

0 0

sin4 sin

2

x rdr d

x r

; I

22

x

I

3 3

cos2 3

3 2

1sin

2

ir xex f r drd d d

r

R R

3

cos 22

2

2sin

ir xer drd d

r x

R

2

2

f

f

3

31

4

fx d

x

R

3

2

31

4

x f x

f xx d x

x x

R

1 1,

4G x x

x x

3

2

31

4

x f x

f xx d x

x x

R

1 1,

4G x x

x x

3

2 2

11. , ,

4

2. , ,

3. , 0

x x

x x

x xG x x G x x x x

x x

G x x G x x x x

G x x x x

,

, para y para

3

2

3,

x f x

x f x G x x d x

R

1 1,

4G x x

x x

3 3

3

2

2

2

2 3 3

2 3

2

,

,

,

,

,

x

x

x

x

x

x

G x x x x

f x G x x f x x x

f x G x x f x x x

f x G x x d x f x x x d x

f x G x x d x f x

x f x

R R

R