soluções de edo lineares de 2a ordem na forma...
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SOLUÇÕES DE EDO LINEARES DE 2A ORDEM NA FORMA INFINITA
Conforme foi visto é muito simples se obter a solução geral de uma EDO linear de 2a
ordem a coeficientes constantes
0 cyybya .
em termos das funções algébricas e transcendentes elementares
tetetee tttt sen,cos,, .
Já no caso não-homogêneo
)(tfcyybya
isso nem sempre é possível, pois depende de )(tf . Nos casos em que )(tf não é um
quase-polinômio, utilizando-se o método da variação dos parâmetros, o que se obtém é
solução geral na forma de uma integral definida.
De modo que, já seria de se esperar um aumento no grau de dificuldade para se obter a
solução geral de uma EDO linear de 2a ordem a coeficientes variáveis mesmo no caso
homogêneo
0 ytcytbyta )()()( .
Isso talvez não tenha ficado muito evidente, pois no caso muito particular da equação de
Euler a solução geral ainda pode ser dada em termos de funções elementares. Entretanto,
no caso geral, invariavelmente a solução geral tem de ser dada através de novas funções
transcendentes, denominadas funções especiais, as quais só podem ser expressas numa
representação infinita: seja em séries infinitas, seja em frações contínuas ou seja através
de integrais definidas. Na verdade, as funções transcendentes podem ser divididas em
duas classes: as que,como as funções de Bessel, são soluções de EDO’s e as que, como a
função Zeta de Riemann, não satisfazem nenhuma EDO. No presente capítulo, nos
ateremos as EDO’s cuja solução geral pode ser representada através de séries infinitas,
mais especificamente séries de potência.
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Alguns exemplos importantes de EDO’s da Física-Matemática são
Equação de Cauchy-Euler
2
0 0( ) ( ) 0 , , , Ra x x y b x x y cy a b c .
Equação de Bessel
2 2 2( ) 0 , Rx y xy x y .
Equação de Legendre
2(1 ) 2 0 , Rx y xy y .
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Equação de Airy
0 , Ry xy .
Equação de Hermite
2 2 0 , Ny xy ny n .
Equação de Chebyshev
2 2(1 ) 0 , Nx y xy n y n .
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Equação Hipergeométrica
(1 ) ( ( 1) ) 0 , , , Rx x y c a b x y aby a b c
OBS: Todas as EDO’s acima possuem coeficientes polinomiais. Isso ocorre na maioria das
EDO’s da Física-Matemática. De modo que, poderíamos nos restringir as EDO’s com
coeficientes polinomiais, apesar do método das séries de potências se aplicar a EDO’s com
coeficientes não polinomiais.
Definição: Dada a EDO
0 yxcyxbyxa )()()( (LH)
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onde )(),(),( xcxbxa não possuem fatores comum da forma kxx )( 0 , onde k é um
inteiro positivo. Tem-se que
(i) 0x é um ponto ordinário se 00 )(xa .
(ii) 0x é um ponto singular 00 )(xa .
OBS: Como queremos a proteção do T. E. U. estamos supondo que (LH) possui
coeficientes contínuos em algum intervalo comum [,] . De modo que, se 0x é um
ponto ordinário en tão existe um subintervalo no qual 0)(xa .Neste subintervalo pode
ser posta na forma normal
0 yxqyxpy )()(
e aplicando o T. E. U. obtemos a existência e unicidade de solução para qualquer par de
dados iniciais
1000 yxyyxy )()( ,
tomados em 0x .
OBS: Se 0x é um ponto singular, então pelo menos um dos no )(),( 00 xcxb é diferente de
zero. De modo que, pelo menos um dos coeficientes )(),( xqxp fica ilimitado quando
0xx e não se pode aplicar o T.E.U.
REVISÃO DE SÉRIES DE POTÊNCIAS
A mais simples série de potências é uma função polinomial
nn xaxaaxf ...)( 10 .
Esta é uma representação finita. Do Cálculo aprendemos que as funções elementares
podem ser representadas na forma infinita através de séries de potências. Alguns
exemplos são
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1111
1
12
1
121
1206
2
1
21
2421
1
0
2
0
121253
0
2242
0
xxxxxx
xxnn
xxxxx
xxnn
xxxx
xn
x
n
xxe
n
nn
n
nnn
n
n
nnn
n
n
nnx
,
,
,
,
......
)!(
)(...
)!()(...sen
)!(
)(...
)!()(...cos
!...
!...
Uma representação mais geral é
0
0
n
nn xxaxf )()( .
Neste caso diz-se que a função foi expandida em série em torno do ponto 0x . Nas
expansões acima tem-se que 00 x . Relembramos os seguintes resultados
1.Uma série de potências converge num ponto xx ~ se
m
n
nn
mxxa
0
0 )~(lim .
Toda série converge em 0xx , podendo convergir em todo Rx , ou apenas em alguns
x .
2. Uma série converge absolutamente num ponto x se a série
0
0
n
nn xxa )(
for convergente. Tem-se que conv. absoluta convergência.A recíproca não é
necessariamente verdadeira.
3. Teste da Razão: critério para verificação da convergência absoluta. Se 10 nan , e
se para algum valor de x
La
axx
xxa
xxa
n
n
nnn
nn
n
10
0
101 lim
)(
)(lim
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então a série converge absolutamente no ponto x se 1L e diverge se 1L . Se 1L , o teste não é conclusivo. 4. Intervalo de Convergência: existe um real 0 , denominado raio de convergência, tal
que a série converge absolutamente em 0xx e diverge em 0xx .Se a série
só converge em 0x , o raio de convergência é zero. Se a série converge em todos os reais,
o raio de convergência é infinito.Se 0 ,o intervalo [,] 00 xx é o intervalo de
convergência.
A série pode convergir ou divergir em 0xx .
5. Se
0
0
n
nn xxa )( e
0
0
n
nn xxb )( forem convergentes em 0xx .Então, tem-
se que
0
0
0
0
0
0
n
nnn
n
nn
n
nn xxbaxxbxxa ))(()()(
e
n
n k
knk
n
nn
n
nn xxbaxxbxxa )()()( 0
0 00
0
0
0
são convergentes em 0xx . Além disso, se 00 b , então
0
0
0
0
0
0
n
nn
n
nn
n
nn
xxc
xxb
xxa
)(
)(
)(
onde nc pode ser obtido através de
n
n
n
k
knk
n
nn
n
nn
n
nn xxbcxxbxxcxxa )()()()( 0
0 00
0
0
0
0
0
,
sendo que o raio de convergência pode ser menor que .
6. Suponha que
0
0
n
nn xxaxf )()( converge em x . Então
2
200
02
2
0
02
2
1
10
0
0
0
0
1
n
nn
nn
nn
nn
n
nn
n
nn
n
nn
xxannxxadx
dxxa
dx
dxf
xxnaxxadx
dxxa
dx
dxf
)()()()()(
)()()()(
e assim sucessivamente, sendo que cada série converge absolutamente em x .
Além disso, tem-se a seguinte relação
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!
)()(
n
xfa
n
n0
e a série é chamada série de Taylor de f em torno de 0xx .
OBS: Dada uma função )(xf contínua possuindo derivadas de todas as ordens em
0xx , )(xf pode sempre ser representa-
da por uma série de potências convergente em 0xx ? Ou seja, quando se tem que
0
00
n
nn
xxn
xfxf )(
!
)()(
)(
, em 0xx ?
Definição: Uma função cuja série de Taylor converge em 0xx é dita ser analítica
em 0xx .
SOLUÇÃO EM SÉRIE NA VIZINHANÇA DE UM PONTO ORDINÁRIO
Dada a EDO
)()()()( xdyxcyxbyxa (1)
analisaremos o problema de sua resolução em uma vizinhança de um ponto ordinário
0xx através do emprego de séries de potências.No caso de coeficientes e lado direito
polinomiais o candidato natural seria um polinômio.No caso geral, assumindo que os
coeficientes lado direito são analíticos em torno de 0xx , o candidato será uma série de
potências. De modo que, existem duas questões que precisam ser consideradas:
Como determinar formalmente os coeficientes da série?
Qual será o raio de convergência da solução obtida?
Utilizando o fato de 0xx ser um ponto ordinário, a EDO pode ser posta na forma
normal
)()()( xryxqyxpy (2)
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Então se os coeficientes e lado direito puderem ser expandidos em séries de potências em
algum intervalo em torno de 0x , ou seja se
0
0
0
0
0
0
n
nn
n
nn
n
nn xxrxrxxqxqxxpxp )()(,)()(,)()(
Tentaremos uma solução na forma
0
0
n
nn xxaxy )()( .
Exemplo: Obter a solução geral da EDO
xyy , 0 .
Como 1)(xa então a EDO não possui pontos singulares em. De modo que, podemos
tomar 00 x e
0n
nn xaxy )( .
Derivando termo a termo obtém-se que
1
1
n
nn xnaxy )( e
2
21
n
nn xannxy )()( .
Substituindo na EDO segue-se que
01
02
2
n
nn
n
nn xaxann )( .
Transladando o índice na primeira série de n para n+2, obtém-se
012
0 0
2
n n
nn
nn xaxann ))((
ou seja
012
0
2
n
nnn xaann ))(( .
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O que ocorre se só se
0012 2 naann nn , ))(( .
Esta equação se chama relação de recorrência. Como a um descompasso de 2 entre os
índices dos coeficientes, os coeficientes pares e ímpares são determinados
separadamente. Tem-se que
,... , , !.!.!. 656434212
046
024
002
aaa
aaa
aaa
e
,... -- , , !.!.!. 767545332
157
135
113
aaa
aaa
aaa
Utilizando-se indução finita conclui-se que
,...,,,
)!(
)(
)!(
)(
321
12
1
2
1
112
02
n
an
a
an
a
an
n
n
n
n
Portanto, a solução geral será dada por
...)!(
)(
)!(
)(...
!!!!)(
1212051403120
1012
1
2
1
5432
nn
nn
xn
ax
n
ax
ax
ax
ax
axaaxy
ou seja
0
121
0
20
123
12
2
0
12
1
2
1
12
1
32
1
21
n
nn
n
nn
nn
nn
xn
axn
a
xn
xxax
n
xaxy
)!(
)(
)!(
)(
...)!(
)(...
!...
)!(
)(...
!)(
Agora que obtivemos a solução formal, devemos estudar a convergência das séries
obtidas. Utilizando o Teste da Razão, obtemos que
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2( 1) 1 2( 1)2( 1) 0
2 2
2 0
( 1) / (2 2)! (2 )!lim lim lim
( 1) / (2 )! (2 2)!
1lim 0 1
(2 2)(2 1) , R
n n nn
n n nn n nn
n
a x a x n nx
a x a x n n
x xn n
e
2( 1) 1 1 2 322( 1) 1 1
2 1 2 1
2 1 1
( 1) / (2 3)! (2 1)!lim lim lim 0 1,
( 1) / (2 1)! (2 3)!R
n n nn
n n nn n nn
a x a x n nx x
a x a x n n
De modo que, podemos definir duas soluções da EDO em toda reta
0
21
2
1
n
nn
xn
xy)!(
)()( e
0
122
12
1
n
nn
xn
xy)!(
)()( .
Observamos que
0010 11 )()( yy , e 1000 22 )()( yy ,
Então, aplicando Abel obtém-se que
10 00
2121
x
dxeyyWxyyW )](,[)](,[ .
De modo que, 1y e 2y formam um conjunto fundamental para a EDO e, portanto, a
solução geral é realmente dada por
Raaxyaxyaxy 102110 ,)()()( , .
Na verdade, tem-se que
)()( 00 10 yaya , .
Logo, conclui-se que 1y é a única solução do seguinte
0010
0
)(,)(:
yy
yyPVI
e que 2y é a única solução do seguinte
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1000
0
)(,)(:
yy
yyPVI
Por outro lado, aprendemos no Cálculo que 1y é a série de Taylor para xcos em 00 x
e 2y é a série de Taylor de xsen em 00 x . De modo que, as funções xcos e
xsen podem ser definidas através de PVI’s. Na verdade, a maioria das funções especiais
da Física-Matemática é definida como soluções de PVI’s. Para a maioria dessas funções
não existe forma mais simples de defini-las.
Exemplo: Obter a solução geral da Equação de Airy
xxyy , 0 .
Tem-se que xxqxp )(,)( 0 então a EDO não possui pontos singulares. Podemos
tomar 00 x e como candidato a solução
0n
nn xaxy )( (1)
e supor que a série em x , sendo determinado a posteriori. Derivando (1) e
substituindo na EDO obtém-se após deslocamento do índice
012
00
2
n
nn
n
nn xaxxann ))((
ou seja
012
0 0
12
n n
nn
nn xaxann ))((
Deslocando novamente o índice na segunda série, substituindo n por n-1, obtém-se que
012
0 1
12
n n
nn
nn xaxann ))((
Finalmente “soltando” o primeiro termo da primeira série
0122
1 1
122
n n
nn
nn xaxanna ))((
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De modo que, a relação de recorrência é dada por
,...,))(( 2112 12 naann nn ,
sendo que
02 a .
Agora o descompasso entre os índices é de três unidades e tem-se que
... 8520 aaa .
Novamente obtém-se uma dicotomia entre os coeficientes
, , 9865329865326532
069
036
03
...........
aaa
aaa
aa ,...
ou seja
,...,))()()((...
2131333436532
03
n
nnnn
aa n ,
Por outro lado,
10976431097643
1710
47
14
aaa
aa
aa ,
7643
a , 1
.,...
ou seja
,...,))()()((...
2113323337643
113
n
nnnn
aa n ,
De modo que,
1
13
1
1
3
01333231332
1
n
n
n
n
nn
xxa
nn
xaxy
))((...))((...)( (2)
donde obtém-se novamente que
00 ay )( e 10 ay )( .
Análise da convergência das séries: utilizando o teste da razão, conclui-se que
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3( 1)
3
/ 2 3 ... [3( 1) 1][3( 1)] 2 3 ... (3 1)(3 )lim lim
/ 2 3 ... (3 1)(3 ) 2 3 ... (3 1)(3 )(3 2)(3 3)
1lim 0 .
(3 2)(3 3) , R
n
nn n
n
x n n n nx
x n n n n n n
x xn n
Logo,
a primeira série converge em toda reta. O mesmo acontecendo com a segunda série.
Definindo as funções analíticas
0
3
131332n
n
nn
xxy
))((...)( e
0
13
213332n
n
nn
xxy
))((...)(
obtém-se que 1y é a única solução do seguinte
0010
0
)(,)(:
yy
xyyPVI
e 2y é a única solução do
1000
0
)(,)(:
yy
xyyPVI
Além disso, tem-se que
RxyyWxyyW , 102121 )](,[)](,[ .
De modo que, },{ 21 yy é um conjunto fundamental para a EDO de Airy e a solução geral é
dada por (2). As funções 1y e 2y não são funções transcendentes elementares do Cálculo.
Exemplo: Obter a solução geral da EDO de Airy em uma vizinhança de 10 x .
Como 10 x é ponto ordinário podemos tomar como candidato
0
1
n
nn xaxy )()(
em algum intervalo de convergência 1x . Tem-se que
0
1
1
1111
n
nn
n
nn xanxnaxy )()()()(
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Paulo Marcelo Dias de Magalhães - UFOP Página 40
e
0
2
2
211211
n
nn
n
nn xannxannxy )())(()()()(
Substituindo obtém-se que
011112
0
1
0
2
n
nn
n
nn xanxxann )()()())(( .
Tomando o desenvolvimento de Taylor de x em torno de 10 x , obtém-se que
)( 11 xx .
Substituindo obtém-se
0 0
2 0111112
n n
nn
nn xaxxann )()]([)())((
ou seja
011112
0
1
00
2
n
nn
n
nn
n
nn xaxaxann )()()())((
Soltando o primeiro termo nas duas primeiras séries e transladando o índice na última
série chega-se a
01122
1
1202
n
nnnn xaaannaa )())(( .
De modo que, a relação de recorrência é dada por
112 12 naaann nnn , ))(( .
Logo,
,... , , , 30120202012241212662
01235
10124
013
02
aaaaa
aaaaa
aaa
aa
O que leva a seguinte solução geral
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...)()()()()(
41030120
10 11224
166
12
1 xaa
xaa
xa
xaaxy
ou seja
...
)()()(...
)()()()(
12
1
6
11
24
1
6
1
2
11
43
1
432
0
xxxa
xxxaxy
OBS: Em geral quando a fórmula de recorrência possui mais de dois termos, a
determinação de na em função de 0a e 1a pode se tornar muito difícil e até mesmo
impossível. Sem esta dependência não podemos verificar a convergência das séries
através de um método direto, como ,por exemplo, o teste da razão.
OBS: Quando se tenta uma solução na forma de série de potências de )( 0xx então os
coeficientes da EDO devem ser representados também em potências de )( 0xx .
O seguinte resultado devido a Immanuel Lazarus Fuchs, obtido em 1866, delimita o que
pode ser feito no caso de pontos ordinários para uma vasta classe de EDO’ s
Teorema: (Fuchs)
Dada uma EDO linear normal de ordem n
)()(...)( )()( xfyxayxay nn
n 0
11 . (LN)
Hipóteses:
(H1) )(),(),...,( xfxaxa n 10 analíticas em x .
(H2) Existe 0 tal que as expansões em série de potências de
)(),(),...,( xfxaxa n 10 são convergentes em 0xx .
Tese:
Toda solução de (LN) é analítica em 0x com intervalo de convergência
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0xx .
OBS: No caso n = 2, o teorema pode ser posto do seguinte modo: A solução geral de (LN)
é dada por
)()()()( xyaxyaxxaxyn
nn 2110
0
0
onde 10 aa , são arbitrários e 21 yy , são soluções na forma de séries infinitas linearmente
independentes, analíticas em 0x , sendo que o raio de convergência de cada série é pelo
menos tão grande quanto o menor dos raios de convergência das séries representando os
coeficientes e o lado direito