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Note per Studenti Esercizio 34 · equazioni a variabili separabili ed esempi del corso

Esercizio 34equazioni a variabili separabili ed esempi del corso

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Testo (Lezione 10, Unità 1 e 3).

  1. Mostrare che per ogni c∈Rc \in \mathbb{R}, y(t)=(t−c)2y(t) = (t - c)^2 risolve, per t≥ct \ge c, y′=2∣y∣y' = 2\sqrt{|y|}. Dedurre che y′=2∣y∣y' = 2\sqrt{|y|}, y(0)=0y(0) = 0 ha più soluzioni.
  2. Risolvere y′=ty2y' = ty^2, y(0)=y0y(0) = y_0: trovare le soluzioni costanti e quelle non costanti; risolvere il problema di Cauchy con y0=−1y_0 = -1, y0=0y_0 = 0, y0=1y_0 = 1, specificando l'intervallo massimale di definizione.
  3. Risolvere il problema di Cauchy y′=−tyy' = -\frac ty, y(1)=−1y(1) = -1 usando il metodo delle equazioni a variabili separabili.
  4. Risolvere i problemi di Cauchy (a) y′=yy' = y, y(0)=12y(0) = \frac12; (b) y′=y(1−y)y' = y(1 - y), y(0)=12y(0) = \frac12.
  5. Risolvere il problema di Cauchy y′=ty−3y' = t\sqrt{y - 3}, y(1)=4y(1) = 4.
  6. Risolvere il problema di Cauchy y′=e−y(2x−4)y' = e^{-y}(2x - 4), y(5)=0y(5) = 0. Determinarne la soluzione massimale.

Teoria: Equazioni differenziali a variabili separabiliy' = a(t) b(y) con a continua su I e b continua su J. Gli zeri ȳ di b danno le soluzioni costanti y = ȳ (integrali singolari). Le altre si trovano dividendo per b(y) e integrando: ∫dy/b(y) = ∫a(t)dt + c, poi si ricava y. Se b è C¹ la soluzione del problema di Cauchy è unica, ma può esistere solo su un intervallo più piccolo di I; se b è solo continua può non essere unica (y' = ∛y).Equazioni differenziali a variabili separabili →, Equazioni differenziali - introduzione e problema di CauchyUn'equazione differenziale ordinaria di ordine n ha come incognita una funzione y(t) e lega y⁽ⁿ⁾ a t, y, y', …, y⁽ⁿ⁻¹⁾. L'integrale generale è l'insieme delle soluzioni, definite su un intervallo; di solito sono infinite e dipendono da n costanti. Il problema di Cauchy aggiunge n condizioni iniziali in un istante t0 (y(t0), …, y⁽ⁿ⁻¹⁾(t0)) e sotto opportune ipotesi ha una sola soluzione. y⁽ⁿ⁾ = f(t) si risolve integrando n volte.Equazioni differenziali - introduzione e problema di Cauchy → (di Analisi 1), Equazioni differenziali esatteUn'equazione M(t,y) + N(t,y) y' = 0 è esatta se il campo (M, N) è conservativo, cioè ha una primitiva U con ∂_t U = M, ∂_y U = N; allora lungo ogni soluzione d/dt U(t, y(t)) = M + N y' = 0, e le soluzioni sono date implicitamente da U(t, y) = c (curve di livello di U). Su un dominio semplicemente connesso basta la condizione ∂_y M = ∂_t N. Si trova U con le integrazioni parziali, si fissa c con la condizione iniziale e si ricava y, scegliendo il ramo e l'intervallo massimale (dove N ≠ 0).Equazioni differenziali esatte →.


Metodo per y′=g(t)h(y)y' = g(t)h(y): (1) soluzioni costanti: gli zeri di hh; (2) dove h(y)≠0h(y) \ne 0: ∫dyh(y)=∫g(t) dt+c\int\frac{dy}{h(y)} = \int g(t)\,dt + c; (3) condizione iniziale e intervallo massimale (il più grande intervallo che contiene t0t_0 su cui la formula ha senso). Tutte le soluzioni sono state controllate con dsolve di Python.

1. La non unicità per y′=2∣y∣y' = 2\sqrt{|y|}

Verifica. Per t≥ct \ge c: y=(t−c)2≥0y = (t - c)^2 \ge 0, y′=2(t−c)y' = 2(t - c) e 2∣y∣=2∣t−c∣=2(t−c)2\sqrt{|y|} = 2|t - c| = 2(t - c) (perché t−c≥0t - c \ge 0) ✓.

Più soluzioni con y(0)=0y(0) = 0. La funzione costante y≡0y \equiv 0 è soluzione (0=200 = 2\sqrt0). Ma per ogni c≥0c \ge 0 anche yc(t)={0t≤c(t−c)2t≥cy_c(t) = \begin{cases} 0 & t \le c \\ (t - c)^2 & t \ge c \end{cases} è soluzione su tutto R\mathbb{R}: i due pezzi si raccordano in modo C1C^1 in t=ct = c (valore 00 e derivata 00 da entrambi i lati) e yc(0)=0y_c(0) = 0. Infinite soluzioni.

Perché il teorema di unicità non si applica: f(t,y)=2∣y∣f(t, y) = 2\sqrt{|y|} è continua, ma ∂yf=sgn⁡y∣y∣\partial_y f = \frac{\operatorname{sgn}y}{\sqrt{|y|}} non esiste (esplode) in y=0y = 0, proprio dove sta il dato iniziale.

2. y′=ty2y' = ty^2

Costanti: h(y)=y2=0  ⟺  y=0h(y) = y^2 = 0 \iff y = 0: la soluzione y≡0y \equiv 0.

Non costanti: ∫dyy2=∫t dt⇒−1y=t22+c⇒y=−2t2+2c=2k−t2\int\frac{dy}{y^2} = \int t\,dt \Rightarrow -\frac1y = \frac{t^2}2 + c \Rightarrow y = \frac{-2}{t^2 + 2c} = \frac{2}{k - t^2} (k=−2ck = -2c).

Problemi di Cauchy:

  • y0=−1y_0 = -1: 2k=−1⇒k=−2\frac2k = -1 \Rightarrow k = -2: y(t)=−2t2+2y(t) = -\dfrac{2}{t^2 + 2}, definita su tutto R\mathbb{R} (il denominatore non si annulla mai).
  • y0=0y_0 = 0: è uno zero di hh, e h(y)=y2h(y) = y^2 è C1C^1 (unicità): y≡0y \equiv 0 su R\mathbb{R}.
  • y0=1y_0 = 1: k=2k = 2, y(t)=22−t2y(t) = \dfrac{2}{2 - t^2}; il denominatore si annulla in ±2\pm\sqrt2, quindi l'intervallo massimale è ]−2,2[]-\sqrt2, \sqrt2[. La soluzione esplode in tempo finito.

Nota: l'intervallo massimale dipende dal dato iniziale (tutto R\mathbb{R} per y0≤0y_0 \le 0, un intervallo limitato per y0>0y_0 > 0).

3. y′=−tyy' = -\frac ty, y(1)=−1y(1) = -1

ff è definita per y≠0y \ne 0. Separando: y dy=−t dt⇒y22=−t22+c⇒y2=2c−t2y\,dy = -t\,dt \Rightarrow \frac{y^2}2 = -\frac{t^2}2 + c \Rightarrow y^2 = 2c - t^2. In t=1t = 1: 1=2c−11 = 2c - 1, 2c=22c = 2. Quindi y2=2−t2y^2 = 2 - t^2, e siccome y(1)=−1<0y(1) = -1 < 0 si prende il ramo negativo: y(t)=−2−t2,t∈ ]−2,2[y(t) = -\sqrt{2 - t^2}, \qquad t \in\, ]-\sqrt2, \sqrt2[ Il grafico è la metà inferiore del cerchio t2+y2=2t^2 + y^2 = 2; agli estremi y→0y \to 0, dove l'equazione non è definita (la tangente diventa verticale): l'intervallo è aperto.

4. Crescita esponenziale e logistica

(a) y′=yy' = y: y=Cety = Ce^t, con y(0)=12y(0) = \frac12: y=12ety = \frac12e^t, che cresce senza limiti.

(b) y′=y(1−y)y' = y(1 - y). Costanti: y≡0y \equiv 0 e y≡1y \equiv 1. Le altre, con i fratti semplici 1y(1−y)=1y+11−y\frac{1}{y(1 - y)} = \frac1y + \frac{1}{1 - y}: log⁡∣y1−y∣=t+c⇒y1−y=Ket\log\left|\frac{y}{1 - y}\right| = t + c \Rightarrow \frac{y}{1 - y} = Ke^t In t=0t = 0: 1/21/2=1=K\frac{1/2}{1/2} = 1 = K. Risolvendo y=et(1−y)y = e^t(1 - y): y=et1+et=11+e−ty = \dfrac{e^t}{1 + e^t} = \dfrac{1}{1 + e^{-t}}, definita su R\mathbb{R}, crescente da 00 (per t→−∞t \to -\infty) a 11 (per t→+∞t \to +\infty). La popolazione in t=10t = 10 è 11+e−10≈0.99995\frac{1}{1 + e^{-10}} \approx 0.99995: praticamente al valore di equilibrio. A differenza della crescita esponenziale, la logistica si satura: per tt negativi le due soluzioni quasi coincidono (finché yy è piccola, 1−y≈11 - y \approx 1), poi si separano.

Grafico interattivo: Logistica y = 1/(1 + e^(−t)) con y(0) = 1/2: tende all'equilibrio y = 1

5. y′=ty−3y' = t\sqrt{y - 3}, y(1)=4y(1) = 4

h(y)=y−3h(y) = \sqrt{y - 3} definita per y≥3y \ge 3, C1C^1 per y>3y > 3 (unicità vicino al dato y0=4y_0 = 4). Separando: ∫dyy−3=∫t dt⇒2y−3=t22+c\int\frac{dy}{\sqrt{y - 3}} = \int t\,dt \Rightarrow 2\sqrt{y - 3} = \frac{t^2}2 + c In t=1t = 1: 2=12+c2 = \frac12 + c, c=32c = \frac32. Quindi y−3=t2+34\sqrt{y - 3} = \frac{t^2 + 3}{4} (positivo per ogni tt, coerente con la radice) e y(t)=3+(t2+3)216,t∈Ry(t) = 3 + \frac{(t^2 + 3)^2}{16}, \qquad t \in \mathbb{R} Controllo: y(1)=3+1616=4y(1) = 3 + \frac{16}{16} = 4 ✓; y′=2(t2+3)⋅2t16=t(t2+3)4=ty−3y' = \frac{2(t^2 + 3)\cdot 2t}{16} = \frac{t(t^2 + 3)}{4} = t\sqrt{y - 3} ✓.

6. y′=e−y(2x−4)y' = e^{-y}(2x - 4), y(5)=0y(5) = 0

Separando: ey dy=(2x−4) dx⇒ey=x2−4x+ce^y\,dy = (2x - 4)\,dx \Rightarrow e^y = x^2 - 4x + c. In x=5x = 5: 1=25−20+c1 = 25 - 20 + c, c=−4c = -4: y(x)=log⁡(x2−4x−4)y(x) = \log(x^2 - 4x - 4) Intervallo massimale: serve x2−4x−4>0x^2 - 4x - 4 > 0, cioè x<2−22x < 2 - 2\sqrt2 oppure x>2+22≈4.83x > 2 + 2\sqrt2 \approx 4.83. Contenendo x0=5x_0 = 5: ]2+22,+∞[]2 + 2\sqrt2, +\infty[. Avvicinandosi a 2+222 + 2\sqrt2 la soluzione va a −∞-\infty.


Errori comuni

  • Dimenticare le soluzioni costanti quando si divide per h(y)h(y).
  • Scegliere il ramo sbagliato della radice (esercizio 3: il dato è negativo).
  • Prendere come intervallo massimale tutto l'insieme di definizione della formula invece del solo intervallo che contiene t0t_0.

Lezioni in cui compare

Teoria collegata