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Ejercicios tema 7

Ejercicio 1. Escribir el sistema en forma matricial:

(a) {x=xy+t1y=2x+y3t2

(b) {x=3x+4y+etsen(2t)y=5x+9y+4etcos(2t)


Ejercicio 2. Expresar en forma de sistema de ecuaciones el sistema matricial dado:

(a) (xy)=(3711)(xy)+(48)sen t+(t42t+1)e4t

(b) X=(759411023)X+(021)e5t(803)e2t


Ejercicio 3. Comprobar que

X=(5cost3costsen t)et

es solución del sistema

{x=2x+5yy=2x+4y

Ejercicio 4a
Determinar la solución general del sistema diferencial:

{dxdt=2x+2ydydt=x+3y

La solución general es:

Y(t)=c1(21)et+c2(11)e4t

Ejercicio 4b
Determinar la solución general del sistema:

{dxdt=2x+2ydydt=8x2y

La solución general es:

Y(t)=c1(12)e2t+c2(12)e6t

Ejercicio 5c
Determinar la solución general del sistema:

Y=(12940)Y

La solución general es:

Y(t)=c1(32)e6t+c2(2+3t1+2t)e6t

Ejercicio 6a
Determinar la solución general del sistema:

{dxdt=x+ydydt=2x+y

La solución general es:

Y(t)=c1(cos(2t)2sin(2t))et+c2(sin(2t)2cos(2t))et

Ejercicio 6b
Determinar la solución general del sistema:

{dxdt=4x+5ydydt=2x+6y

La solución general es:

Y(t)=c1(5cos(3t)cos(3t)3sin(3t))e5t+c2(5sin(3t)3cos(3t)+sin(3t))e5t

Ejercicio 7
Resolver el problema con condición inicial:

Y=(120112)Y,Y(0)=(35)

La solución es:

Y(t)=(33)et/2+(02)et/2

Ejercicio 8. El núcleo radiactivo se descompone de acuerdo con la ley

dNdt=λN,

donde N es la concentración del núcleo dado y λ la constante particular de desintegración. En una serie radiactiva de dos núcleos diferentes se tiene el sistema

{dN1dt=λ1N1dN2dt=λ1N1λ2N2

Calcular la solución N2(t) con las condiciones N1(0)=N0 y N2(0)=0, siendo λ1=1 y λ2=2.

Ejercicio 9
Calcular la solución general del siguiente sistema:

Y=(3124)Y+(3et)

Solución:
Se resuelve en dos partes:
1. Sistema homogéneo asociado:

Y=(3124)Y

Los autovalores son λ1=5, λ2=2, con vectores propios:

V1=(12),V2=(11)

Solución homogénea:

Yh(t)=c1(12)e5t+c2(11)e2t

2. Solución particular (variación de constantes):

Φ(t)=(e5te2t2e5te2t),Φ1(t)=(13e5t13e5t23e2t13e2t)

Multiplicación e integración dan:

Yp(t)=(65+14et35+12et)

Solución general:

Y(t)=c1(12)e5t+c2(11)e2t+(65+14et35+12et)

Ejercicio 10
Calcular la solución general del sistema:

{dxdt=2xydydt=3x2y+4t

Solución:
1. Sistema homogéneo asociado:

Y=(2132)Y

Autovalores: λ1=1, λ2=1
Vectores propios:

V1=(13),V2=(11)

Solución homogénea:

Yh(t)=c1(13)et+c2(11)et

2. Solución particular (variación de constantes):

Φ(t)=(etet3etet),Φ1(t)=(12et12et32et12et)

Multiplicando por el vector F y luego integrando:

Φ1(t)(04t)=(2tet2tet)Φ1(t)(04t)dt=(2tet2et2tet+2et)Yp(t)=Φ(t)(2tet2et2tet+2et)=(4t8t4)

Solución general:

Y(t)=c1(13)et+c2(11)et+(4t8t4)

Ejercicios nuevos.

Ejercicio 1
Resolver el siguiente sistema con condición inicial:

{dxdt=3x+4ydydt=x+2y,Y(0)=(10)

Solución:

{x(t)=e52t(cos(152t)+115sin(152t))y(t)=e52t(215sin(152t))

Ejercicio 2
Resolver el siguiente sistema con condición inicial:

{dxdt=2x+ydydt=x2y,Y(0)=(01)

Solución:

{x(t)=e2tsin(t)y(t)=e2tcos(t)

Ejercicio 3
Resolver el siguiente sistema con condición inicial:

{dxdt=5x3ydydt=2x+y,Y(0)=(21)

Solución:

{x(t)=e3t(2cos(2t)+722sin(2t))y(t)=e3t(cos(2t)+32sin(2t))

Ejercicio 4
Resolver el siguiente sistema con condición inicial:

{dxdt=4x+ydydt=2x+y,Y(0)=(21)

Solución:

x(t)=e2t(1+3et)y(t)=e2t(2+3et)

Ejercicio 5
Resolver el siguiente sistema con condición inicial:

{dxdt=5x2ydydt=4x+y,Y(0)=(03)

Solución:

x(t)=3e3tsin(2t)y(t)=3e3t(cos(2t)sin(2t))

Ejercicio 6
Resolver el siguiente sistema con condición inicial:

{dxdt=2x+5ydydt=3x+y,Y(0)=(11)

Solución:

x(t)=159e3t2(59cos(59t2)+1159sin(59t2))y(t)=159e3t2(59cos(59t2)+759sin(59t2))

Ejercicio 7
Resuelve el PVI:

{dxdt=7x+ydydt=4x+3y,x(0)=(25)

Solución.
Autovalor doble λ=5. Autovector (1,2)t. Autovector generalizado: (0,1)t.

x(t)=c1e5t(12)+c2(e5tt(12)+e5t(01))

c1=2,c2=1.


Ejercicio 8
Resuelve el sistema:

{x(t)=2x(t)+1y(t)+3,y(t)=1x(t)+2y(t)+1.

sabiendo que x(0)=1,y(0)=3. Calcula x(2),y(2)
Solución ejercicio 8
En forma de matriz:

X=AX+b,A=(2112),b=(31).

Solución del homogéneo

det(AλI)=|2λ112λ|=(2λ)21λ1=3,λ2=1. Xh(t)=C1e3t(11)+C2et(11).

Buscamos ahora solución particular del no homogéneo:

X=AX+b,A=(2112),b=(31).

usando

Xp(t)=Φ(t)Φ(t)1Fdt,
  1. Calcular Φ1(t).
Φ(t)=(e3tete3tet),detΦ=2e4t,

por lo que

Φ1(t)=12e4t(etete3te3t)=(12e3t12e3t12et12et).
  1. Multiplicar Φ1F.
Φ1F=(12e3t12e3t12et12et)(31)=(3+12e3t312et)=(2e3tet).
  1. Integrar componente a componente.
Φ1Fdt=(2e3tet)dt=(23e3tet).
  1. Multiplicar por Φ.
Xp(t)=Φ(t)(23e3tet)=(e3tete3tet)(23e3tet)=(5313).

Por tanto, una solución particular del sistema es

Xp(t)=(5313).

Solución general:

X(t)=Xh(t)+Xp=C1e3t(11)+C2et(11)homogeno+(5313)particular.

En componentes:

x(t)=53+C1e3t+C2et,y(t)=+13+C1e3tC2et,

Ahora queda aplicar los valores iniciales

x(0)=53+C1+C2=1y(0)=13+C1C2=3C1+C2=83(1)C1C2=83(2)

Tenemos C1=8/3 y C2=0. Sustituimos:

x(t)=53+83e3ty(t)=13+83e3t

Y ahora por fin

x(2)83403.429531075.811,y(2)83403.429+131081.478

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