Enunciado

Resolva as equações diferenciais

y^' = x - y

Passo 1

Temos aqui uma equação linear em mãos. Isso significa que temos uma equação com essa estrutura

y^' + A (x) y = B ( x )

Para resolver essa equação precisamos treinar um novo truque. O FATOR INTEGRANTE. Eu vou mostrar de onde ele surge, mas depois que pegarmos o jeito podemos só usar a formulinha já pronta para resolver nosso problema.

Quando temos uma função comum, por exemplo :

y = f (x)

Se quisermos derivar ela, podemos fazer

(d)/(d x) y = (d)/(d x) f (x)

y^' = f ' ( x )

E claro, voltar para nossa função original seria bem fácil. Podemos integrar fazendo Separação de Variaveis

(d y)/(d x) = f ' (x)

d y = f ' (x) d x

int d y = int f ' (x) d x

y = f (x) + c

E agora se tivermos uma função desse jeito

y^' + A (x) y = B ( x )

Fica impossível separar as variáveis. Temos que usar uma nova técnica, a do FATOR INTEGRANTE. Podemos imaginar que lá no início na nossa primitiva temos uma função aleatória I (x) que multiplica nosso y . Pensar isso vai salvar a pátria. Saca só

I ( x ) y ( x ) = I ( x ) F ( x )

Então podemos derivar e teremos

(I ( x ) y ( x ))^' = (I ( x ) F ( x )) '

(I (x) y (x))^' = I^' (x) F (x) + I (x) F^' (x)

Podemos imaginar que essa função I ( x ) seja da família das exponenciais, logo sua derivada seria ela mesma, multiplicada por alguma outra função.

I^' (x) = I (x) A ( x )

Então ficamos com

(I (x) y (x))^' = I (x) A ( x ) F (x) + I (x) F^' (x)

(I (x) y (x))^' = I (x) [A (x) F (x) + F^' (x)]

O legal dessa técnica é que o termo em colchetes é tudo o que fica do lado direito da nossa equação linear

y^' + A (x) y = B ( x )

Então esse B (x) é nosso termo entre colchetes

B (x) = A (x) F (x) + F^' (x)

(I (x) y (x))^' = I (x) B (x)

Agora se integrarmos de ambos os lados teremos

int (I (x) y (x))^' d x = int I (x) B (x) d x

I (x) y (x) = int I (x) B (x) d x + C

y (x) = (1)/(I (x)) int I (x) B (x) d x + C

Estamos quase acabando. Esse I ( x ) é só uma bengala na nossa solução. Temos que nos livrar dele. Por suposição fizemos

I^' (x) = I (x) A ( x )

Com isso podemos conseguir achar nosso fator integrante em função da nossa função genérica

(d)/(d x) I (x) = I (x) A ( x )

(1)/(I (x)) d I (x) = A (x) d x

ln ( I ( x ) ) = int A ( x ) d x

I ( x ) = e^(int A ( x ) d x)

Essa integral teria que ter uma constante arbitraria. Mas como já vamos colocar uma constante lã no final da integral. Podemos arbitrar que a de agora seja nula. Beleza? Podemos prosseguir então. Conseguimos fazer que nossa equação Diferencial Linear tivesse a seguinte solução

y (x) = (1)/(I (x)) int I (x) B (x) d x + C

Sendo nosso fator integrante

I ( x ) = e^(int A ( x ) d x)

Vamos agora analisar nossa equação do exercício

Passo 2

Temos

y^' = x - y

y^' + y = x

Sabemos então que nossa solução será

y (x) = (1)/(I (x)) int I (x) B (x) d x + C

Onde nosso

A (x) = 1

B (x) = x

Passo 3

Vamos descobrir o Fator Integrante

I ( x ) = e^(int A (x) d x)

I ( x ) = e^(int 1 d x)

I (x) = e^x

Passo 4

Agora sim, podemos resolver nossa equação linear

y (x) = (1)/(e^x) int e^x x d x + C

Vamos aqui precisar de mais uma etapa, porque essa integral só sai por integração por partes. Então se temos u (t) e v ( t ) e derivarmos teremos :

(d)/(d t) u v = u^' v + u v^'

E se em seguida, integrarmos ambos os lados e teremos de volta uv

int (d)/(d t) u v d t = int u^' v + u v^' d t

u v = int u ' v d t + int u v ' d t

int u ' v d t = u v - int u v ' d t

Faremos então u ' = e^x e v = x

int e^x x d x = e^x x - int e^x d x

= e^x x - e^x

Vamos voltar agora para nossa equação solução

y (x) = (1)/(e^x) [(e^x x - e^x) + C]

y (x) = x - 1 + C e^(- x)

Viu que depois que a gente já está afiado com a teoria, aplicar a formula fica até mais rápido? Terminamos por aqui. Te vejo na próxima resolução

: )

Resposta

y (x) = x - 1 + C e^(- x)

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