Exercícios Resolvidos de Método de Redução de Ordem

UFF, Cálculo IIA, Listas GMA - Lista 11, Questão 19

Passo 1

O método de redução de ordem nos diz que a nossa solução será na forma

y 2 x = ϕ x y 1 ( x )

y 2 x = ϕ

Vamos calcular y ' ' para substituir na nossa equação.

y 2 ' = ϕ '

y 2 ' ' = ϕ ' '

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Passo 2

Substituindo a derivada na nossa EDO.

y ' ' - 3   tan ⁡ x y ' = 0

ϕ ' ' - 3 ϕ ' tan ⁡ x = 0

Para colocar essa equação no formato de EDO de primeira ordem, vamos fazer uma substituição.

u = ϕ '

u ' = ϕ ' '

u ' - 3 u   ( tan ⁡ x ) = 0

Passo 3

Agora só precisamos resolver a EDO linear de primeira ordem normalmente. Neste caso temos uma EDO separável.

u ' - 3 u   ( tan ⁡ x ) = 0

d u d x = 3 u tan ⁡ x  

d u u = 3 tan ⁡ x d x

Integrando de ambos os lados

ln ⁡ u = 3 ln ⁡ sec ⁡ x + C

ln ⁡ u = ln ⁡ sec ⁡ x 3 + C

u = C s e c 3 x

Passo 4

Precisamos então encontrar ϕ a partir de u .

ϕ ' = u

ϕ ' = C sec 3 ⁡ x

Integrando os dois lados teremos

ϕ = C 2 ln ⁡ tan ⁡ x sec ⁡ x + sec ⁡ x tan ⁡ x + C '

ϕ = C 1 ln ⁡ tan ⁡ x sec ⁡ x + sec ⁡ x tan ⁡ x + C 2

Como

y 2 = ϕ

y 2 = C 1 ln ⁡ tan ⁡ x sec ⁡ x + sec ⁡ x tan ⁡ x + C 2  

Essa é nossa solução geral.

Passo 5

Agora podemos resolver o PVI utilizando as condições iniciais.

y 0 = 2

y ' 0 = 6

y ( 0 ) = C 1 ln ⁡ tan ⁡ 0 sec ⁡ 0 + sec ⁡ 0 tan ⁡ 0 + C 2  

C 2 = 2

y ' 0 = C 1 sec 3 ⁡ 0 = 6

C 1 = 6

Então nossa solução é

y = 6 ln ⁡ tan ⁡ x sec ⁡ x + sec ⁡ x tan ⁡ x + 2

Resposta

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