Matemáticas de secundaria · Grades 10–12
26Ecuaciones diferenciales
Una ecuación diferencial relaciona una función con sus derivadas. La física, la química, la biología y la economía expresan sus leyes en esa forma: el ritmo de enfriamiento de un cuerpo, la desintegración de un núcleo radiactivo y el crecimiento de una población son afirmaciones sobre . Este capítulo resuelve por completo las ecuaciones lineales de primer orden con coeficientes constantes.
26.1 La ecuación
Definición 26.1 (Ecuación diferencial)
Una ecuación diferencial es una ecuación cuya incógnita es una función y en la que aparecen y sus derivadas. Una solución en un intervalo es una función derivable que cumple la ecuación en todos los puntos de .
Teorema 26.2 (Soluciones de )
Sea . Las soluciones en de la ecuación son exactamente las funciones
Para cada pareja hay una única solución con .
Demostración. Cada cumple . Recíprocamente, sea una solución cualquiera y tomemos . Entonces
así que es constante, digamos , y . La condición inicial obliga a , de manera única. ∎
Observación 26.3
La exponencial queda así caracterizada por la más sencilla de todas las ecuaciones diferenciales: crecimiento proporcional al tamaño. Por eso aparece por todas partes en la naturaleza.
Ejemplo 26.4 (Desintegración radiactiva)
Una cantidad radiactiva cumple con , luego ; véase el Ejemplo 23.9 para el periodo de semidesintegración.
26.2 La ecuación
Teorema 26.5 (Soluciones de )
Sean y . Las soluciones en de son exactamente las funciones
La función constante es la solución de equilibrio. Para cada hay una única solución con ; y si , todas las soluciones tienden al equilibrio cuando .
Demostración. La constante cumple . Ahora bien, es solución si y solo si
es decir, si y solo si resuelve . Por el Teorema 26.2, , de donde la fórmula, la existencia y la unicidad. Si , cuando , luego . ∎
Método 26.6 (Resolver con una condición inicial)
- Halla la solución de equilibrio (resolviendo ).
- Escribe la solución general .
- Determina con la condición inicial.
- Contrasta el comportamiento a largo plazo con la intuición física (¿converge la solución al equilibrio?).
La misma estrategia (una solución particular más la solución general de la ecuación homogénea) se extiende a : véase la Proposición 26.8.
Ejemplo 26.7 (Ley de enfriamiento de Newton)
Una taza de café a C está en una habitación a C. La ley de Newton afirma que la temperatura cumple para cierto , es decir, . El equilibrio es y : el café se enfría exponencialmente deprisa hasta la temperatura ambiente.
26.3 La ecuación
Proposición 26.8 (Estructura del conjunto de soluciones)
Sea continua en un intervalo y sea una solución particular de
en . Entonces las soluciones en son exactamente las funciones , con .
Demostración. Como en el Teorema 26.5: es solución si y solo si cumple , si y solo si . ∎
Método 26.9 (Adivinar una solución particular)
Busca una solución particular de la misma forma que :
- polinómica de grado : prueba con un polinomio de grado ;
- con : prueba con ;
- (caso resonante): prueba con .
Sustituye en la ecuación e identifica los coeficientes.
Ejemplo 26.10
Resolvamos . Probamos con : que para todo obliga a y , luego y . Solución general: .
26.4 Ejercicios
Ejercicio 26.1 ★
Resuelve en : (a) con ; (b) con ; (c) con .
Solución
Solución de Ejercicio 26.1.
(a) ; da .
(b) , luego ; da .
(c) Equilibrio ; ; da : .
Ejercicio 26.2 ★
Una población de bacterias crece a un ritmo proporcional a su tamaño y se duplica cada horas. Escribe la ecuación diferencial que cumple la población y determina la constante de proporcionalidad.
Solución
Solución de Ejercicio 26.2.
, luego . Duplicarse en horas significa , es decir,
Ejercicio 26.3 ★
Comprueba que es solución de y da todas las soluciones en .
Solución
Solución de Ejercicio 26.3.
: es una solución particular (es el caso resonante del Método 26.9). Por la Proposición 26.8, las soluciones son , con .
Ejercicio 26.4 ★★
Resuelve con . (Indicación: busca una solución particular de la forma .)
Solución
Solución de Ejercicio 26.4.
Probamos con : da , luego . Solución general ; la condición da :
Ejercicio 26.5 ★★
El carbono-14 se desintegra con un periodo de semidesintegración de años. Una muestra arqueológica contiene el del carbono-14 de un organismo vivo. Estima su edad.
Ejercicio 26.6 ★★
Un depósito contiene L de agua pura. Entra salmuera con kg de sal por litro a L/min, y la mezcla (que se mantiene uniforme) sale al mismo ritmo. Sea la masa de sal del depósito en el instante (en minutos).
- Justifica que .
- Resuelve la ecuación y determina el límite de cuando . Interprétalo.
Solución
Solución de Ejercicio 26.6.
1. Entra sal a razón de kg/min. La salida lleva una concentración de kg/L a L/min, es decir, kg/min. Por tanto, .
2. Equilibrio ; , y da :
A la larga, la concentración del depósito iguala a la de la salmuera entrante: kg/L L kg.
Ejercicio 26.7 ★★
Una paracaidista de kg cae sometida a la gravedad () y a una resistencia del aire proporcional a la velocidad, de modo que su velocidad cumple con kg/s.
- Resuelve la ecuación con .
- Calcula la velocidad límite y el tiempo necesario para alcanzar el de esa velocidad.
Solución
Solución de Ejercicio 26.7.
1. con . Equilibrio m/s; , y da
2. Velocidad límite m/s ( km/h). Queremos , es decir, :
Ejercicio 26.8 ★★★
(Ecuación logística.) Una población (expresada como fracción de la población máxima) cumple
- Sea . Demuestra que cumple la ecuación lineal .
- Resuelve para y después para , con .
- Demuestra que cuando y esboza la forma de la curva solución.
Solución
Solución de Ejercicio 26.8.
1. da .
2. Equilibrio , luego . De se sigue , luego y
3. Cuando , e . La curva es la clásica logística en forma de S (una sigmoide): crecimiento lento al principio ( pequeño, ), crecimiento máximo cuando (donde es máximo) y saturación después hacia la capacidad de carga .
Ejercicio 26.9 ★★★
Sea una solución de y sea para . Demuestra que cumple una recurrencia aritmético-geométrica y expresa y en función de y . ¿A qué corresponde la condición para la ecuación diferencial?
Solución
Solución de Ejercicio 26.9.
Por el Teorema 26.5, . Por tanto,
con y . La condición significa , es decir, : exactamente la condición bajo la cual las soluciones de la ecuación diferencial convergen al equilibrio ; y, en efecto, el punto fijo de la recurrencia es .
26.5 Problema: El reloj que llevan dentro las cosas
Problema 26.1
Problema de fin de semana — el carbono-14 data las cuevas, la ley de enfriamiento de Newton cronometra un crimen y una ecuación diminuta se pone cuatro disfraces
Una ecuación diferencial es una ley de cambio; resolverla convierte la ley en un reloj. La misma ecuación diminuta (Teorema 26.5) hace tictac dentro del carbón prehistórico, del café que se enfría, de las gotas de lluvia que caen y de los goteros de hospital; y leer esos relojes es el oficio de este problema: data las pinturas de Lascaux, fija una hora de la muerte y audita sus propias hipótesis, como haría un buen científico.
Parte I — Soltura.
- Resuelve con ; y después con (Método 26.6).
- Vuelve a deducir el truco de unicidad que hay detrás del Teorema 26.2: si , calcula la derivada de y concluye que toda solución es .
- Para : halla la solución de equilibrio y describe el destino de todas las demás soluciones cuando . (Los puntos fijos de las recurrencias del Problema 13.1, vueltos continuos.)
- Para la ley de desintegración : demuestra que el periodo de semidesintegración es .
- Esboza (o describe) la familia de soluciones de : ¿qué hacen las soluciones que empiezan por encima de ? ¿Y las que empiezan por debajo? ¿Y la que empieza en ?
Parte II — El carbono-14. Los tejidos vivos mantienen constante la proporción de carbono-14 radiactivo; al morir cesa la incorporación y las reservas se desintegran: , con periodo de semidesintegración de años.
- Calcula (por año).
- Un hueso conserva el de la proporción de un ser vivo: ¿cuántos años tiene?
- El carbón de las cuevas pintadas de Lascaux conserva alrededor del : data las pinturas.
- El hombre de hielo Ötzi, encontrado en un glaciar alpino, medía alrededor del : dátalo (los arqueólogos hablan de unos años; ¿qué tal lo has hecho?).
- ¿Por qué no puede el carbono-14 datar dinosaurios? Calcula la fracción que queda tras diez periodos, expresa la fracción tras millones de años como potencia de y concluye.
- Barras de error: si el de Ötzi solo se conoce con un margen de , calcula el intervalo de edades. ¿Qué precisión en el laboratorio compra qué precisión en la datación?
Parte III — El enfriamiento de Newton, y un crimen. Un cuerpo a temperatura en un entorno a temperatura constante se enfría según .
Resuelve la ecuación (sustituyendo ):
- Un café servido a C en una habitación a C marca C al cabo de minutos. Determina y después el tiempo de espera hasta los C, que ya se pueden beber.
- La cuestión de la leche: para beber el café más caliente posible dentro de diez minutos, ¿hay que echar la leche fría ahora o en el último momento? Responde con la ecuación (¿qué le hace a la diferencia echar la leche, y cómo gobierna esa diferencia la pérdida?).
- Investigación forense: se encuentra un cuerpo a medianoche a C en una habitación a C; una hora después marca C. Suponiendo C en el momento de la muerte, recupera a partir de las dos medidas y calcula la hora de la muerte.
- Audita el reloj del forense: nombra tres incumplimientos reales de las hipótesis del modelo y en qué dirección sesgaría cada uno la hora estimada de la muerte.
Parte IV — Cuatro disfraces y una curva en S.
- La ecuación logística del Ejercicio 26.8, con : usando la sustitución del ejercicio, deduce y halla el instante del punto de inflexión : la fecha del epidemiólogo del Problema 22.1, ahora calculable.
- Una gota de lluvia cumple (la gravedad menos el rozamiento), con . Halla la velocidad límite, resuelve para y calcula cuándo alcanza la gota el de esa velocidad.
- Un gotero de hospital administra un fármaco a ritmo constante mientras el cuerpo lo elimina de forma proporcional: , con . Halla la concentración de régimen estacionario y el tiempo necesario para llegar a la mitad. Enuncia en una frase el paralelismo con las recurrencias de préstamos del Ejercicio 26.9.
- Final: una ecuación y cuatro disfraces: desintegración, enfriamiento, caída y dosificación, todos con signos y nombres distintos. Recita el ciclo de modelización que este problema ha recorrido cuatro veces (ley ecuación solución calibración predicción auditoría) y nombra el fenómeno que necesita y el problema que ya se encontró con él.
Solución
Solución de Problema 26.1.
1. . Para la segunda: equilibrio , luego con : : .
2. : el producto es una constante , luego ; ninguna solución se escapa.
3. Equilibrio: . Todas las demás soluciones son con : la exponencial muere y la solución se desliza hasta ; un punto fijo estable, el gemelo continuo de los puntos fijos de las recurrencias del Problema 13.1.
4. se reduce a la mitad cuando : .
5. Todas las soluciones son traslaciones verticales de la caída hacia : las que empiezan por encima bajan hasta , las que empiezan por debajo suben hasta y la solución constante se queda quieta; un embudo alrededor del equilibrio.
6. por año.
7. : años.
8. años: los toros de Lascaux son del final de la última glaciación.
9. años: a menos de una vida humana del valor de los arqueólogos; el reloj funciona.
10. Diez periodos dejan : al borde de lo medible. Tras millones de años, la fracción es : no queda ni un átomo de las reservas originales en ningún fósil; los dinosaurios se datan con relojes más lentos (el de potasio-argón y sus parientes).
11. Un da unos años y un , unos : el de la química se convierte en unos años de historia; la precisión del laboratorio es la precisión del cartel del museo.
12. cumple : , y .
13. La diferencia inicial es ; a los cinco minutos, la diferencia es , luego : por minuto. Bebible: : minutos.
14. El ritmo de pérdida es proporcional a la diferencia : el café ardiendo pierde calor más deprisa. Echar la leche ahora recorta la diferencia de inmediato, así que se pierde menos calor en los diez minutos; echarla al final deja que el café se enfríe antes a toda velocidad. Para la taza más caliente: la leche, primero. (Los anfitriones impacientes tienen la termodinámica del revés.)
15. Diferencias respecto del ambiente: a medianoche, ; una hora después, : : por hora. En el momento de la muerte la diferencia era y decayó hasta a medianoche: horas. Hora de la muerte: sobre las .
16. Una habitación caldeada o con corriente ( no constante) tuerce el reloj en un sentido u otro; la ropa o la masa corporal cambian (las tablas forenses lo corrigen), y una equivocada reescala todo el intervalo; y un cuerpo trasladado desde otro lugar reinicia a media desintegración y finge una muerte más temprana o más tardía. La ecuación es honrada; el riesgo lo llevan las hipótesis.
17. cumple : (de ), luego . Inflexión en : : ; la fecha del giro de la epidemia, directamente de la fórmula.
18. Velocidad límite: en m/s. Solución: . Y el : : s; las gotas de lluvia alcanzan su velocidad de crucero en segundos, y por eso la lluvia no mata.
19. Régimen estacionario: . La mitad: : : horas. El gotero es el gemelo continuo del préstamo: entrada constante y salida proporcional; el Ejercicio 26.9 hace exacto el diccionario.
20. Desintegración (, ), enfriamiento (), caída (, : acercamiento al equilibrio desde abajo) y dosificación (lo mismo, en una vena): una ecuación, cuatro mundos. El ciclo: enunciar la ley de cambio; escribir la ecuación; resolver (Método 26.6); calibrar las constantes con las medidas; predecir; y auditar después las hipótesis (pregunta 16). La oscilación necesita , con la que ya nos encontramos, que ya resolvimos y que ya pusimos a oscilar en el Problema 24.1.