Enunciado

Uma partícula desloca-se sobre o eixo x de modo que o produto da velocidade pela diferença entre a posição e o tempo é igual à soma da posição com o tempo. Sabe-se que no interior t = 0 a partícula encontra-se na posição x = 1 . Determine a posição x = x ( t ) da partícula no instante t > 0 .

Passo 1

E vamos seguindo galerinha, porque não tem como fugir não !!

O problema nos disse que o produto da velocidade pela diferença entre a posição e o tempo é igual à soma da posição com o tempo:

v x - t = x + t

Em que x é a posição, t o tempo e v a velocidade !!

Já sabemos que a velocidade é dada por:

v = d x d t

Substituindo:

d x d t x - t = x + t

Vamos reorganizar a equação:

x - t d x = x + t d t

Ou melhor:

x - t d x - x + t d t = 0

Para atender a igualdade acima nós vamos assumir que:

d φ d x = x - t

d φ d t = - x - t

Bom galerinha, a primeira condição já nos ideia bem razoável de qual função φ = φ ( t ,   x ) considerar, não é?

Vamos começar por ela:

d φ = x - t . d x

Quando nós integramos:

φ = x 2 2 - t x

Agora, para ter a segunda condição:

d φ = ( - x - t ) d t

Quando nós integramos:

φ = - x t - t 2 2

Se é assim:

φ t ,   x = x 2 2 - x t - t 2 2

Portanto nós concluímos que a equação x - t d x - x + t d t = 0 é exata e suas condições são dadas implicitamente por x 2 2 - x t - t 2 2 = k , em que k é uma constante.

Passo 2

Agora nós precisamos saber que, quando x 0 = 1 nós podemos substituir:

t = 0     e     x = 1

Substituindo:

φ 0 ,   1 = 1 2 2 - 1 × 0 - 0 2 2 = k

Então:

k = 1 2

Agora que achamos o valor da nossa constante nós concluímos que:

x 2 2 - x t - t 2 2 = 1 2

Como nós queremos o valor de x que permite a derivada acima nós vamos isolá-lo:

x 2 - 2 x t - t 2 = 1

x 2 - 2 x t = t 2 + 1

Completando o quadrado:

x 2 - 2 x t + t 2 = t 2 + 1 + t 2

x - t 2 = 2 t 2 + 1

x - t = 2 t 2 + 1

x = t + 2 t 2 + 1

Portanto, a posição x = x ( t ) da partícula no instante t é dada por x = t + 2 t 2 + 1 .

Essa foi legal, não foi?

Resposta

x = t + 2 t 2 + 1

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