Ejercicio 1 Resolver el siguiente problema de valores iniciales para una ecuación en derivadas parciales $$x\frac{\partial u}{\partial x}+y\frac{\partial u}{\partial y}=3x^2y$$ $$u(x,1)=0$$ La ecuación de las características es $$\frac{dy}{dx}=\frac{y}{x}\Rightarrow \frac{dy}{y}=\frac{dx}{x}\Rightarrow \ln(|y|)=\ln(|x|)+C_1,\quad \text{donde } C_1\in\mathbb{R} $$ Luego $$|y|=e^{C_1}|x|\Rightarrow |y|=\pm C_2|x|,\quad \text{con } C_2=e^{C_1}>0 \Rightarrow y= C_3 x,\quad \text{con } C_3\in\mathbb{R}$$ Ahora para $u$ tenemos $$\frac{du}{dx}=\frac{3x^2y}{x}=3xy=3C_3x^2\Rightarrow u=\int du=C_3\int 3x^2dx=C_3x^3+f(C_3)=yx^2+f\left(\frac{y}{x}\right)$$ Ahora $$u(x,1)=0\Rightarrow x^2+f\left(\frac{1}{x}\right)=0\Rightarrow f\left(\frac{1}{x}\right)=-x^2\Rightarrow f\left(z\right)=-\frac{1}{z^2}\quad (\text{hice } z=\frac{1}{x})$$ Finalmente $$u= yx^2-\frac{x^2}{y^2}$$ Chequeemos


In [5]:
from sympy import *
init_printing()
x,y=symbols('x,y')
u=y*x**2-x**2/y**2
(x*u.diff(x)+y*u.diff(y)).simplify()


Out[5]:
$$3 x^{2} y$$

In [6]:
u.subs(y,1)


Out[6]:
$$0$$

Ejercicio 2 Dada la ecuación $$x^3y'''(x)-6xy'(x)+12y=0.$$ proponer una solución de la forma $y=x^r$ y demostrar que existen tres soluciones linealmente independientes de esa forma.


In [10]:
x,r=symbols('x,r',real=True)
y=x**r
Ecua=x**3*y.diff(x,3)-6*x*y.diff(x)+12*y
Ecua


Out[10]:
$$r x^{r} \left(r^{2} - 3 r + 2\right) - 6 r x^{r} + 12 x^{r}$$

In [11]:
Ecua.factor()


Out[11]:
$$x^{r} \left(r - 3\right) \left(r - 2\right) \left(r + 2\right)$$

Claramente, la expresión nos dice que debe ser $r=3,2,-2$. Veamos que estos valores de $r$ determinan soluciones linealmente independientes. Usamos el wronskiano


In [16]:
y1=x**2
y2=x**3
y3=x**(-2)
A=Matrix([[y1,y2,y3],[y1.diff(x,1),y2.diff(x,1),y3.diff(x,1) ],[y1.diff(x,2),y2.diff(x,2),y3.diff(x,2) ]  ])
A.det()


Out[16]:
$$20$$

Como $W\neq 0$ son linealmente independientes

Ejercicio 3 La siguiente ecuación: $$xy''+(b-x)y'-ay=0,$$

con $a,b\in\mathbb{R}$, se conoce como Ecuación de Kummer.

  • Justificar que $x=0$ es un punto regular singular para esta ecuación.
  • Encontrar y hallar las soluciones de la ecuación indicial (Respuesta $m=0$ y $m=1-b$).
  • Justificar que cuando $b\notin \mathbb{Z}$ la ecuación tiene dos soluciones linealmente independientes que se desarrollan en serie de Frobenius. El radio de convergencia de estas series es infinito.
  • Justificar que, cuando $b$ no es un entero menor o igual a cero, obtenemos una solución que es una función entera, que eligiendo convenientemente la condición inicial, es:

    $$ M(a,b;x)=1+\frac{a}{b}x+\frac{a(a+1)}{b(b+1)}\frac{x^2}{2!}+\cdots+\frac{a(a+1)\cdots(a+n)}{b(b+1)\cdots (b+n)}\frac{x^n}{n!}+\cdots$$

    Esta función se conoce con el pomposo nombre de función hipergeométrica confluente de Kummer.

    Solución

    tenemos que $p(x)=\frac{b-x}{x}$ y $q(x)=-\frac{a}{x}$. Luego $x=0$ es un punto singular de la ecuación. Además $xp(x)=b-x$ y $x^2q(x)=-ax$ son polinomios y por lo tanto funciones analíticas. De esta manera $x=0$ es un punto regular singular. En lo que sigue nos apoyaremos en SymPy


In [94]:
orden=5
coef=symbols('a:5')
Hoy me di cuenta que >>>coef=symbols('x:10') produce lo mismo que >>>Lista=['a%s' %i for i in range(10)] >>> coef=symbols(Lista) como hacíamos antes

In [95]:
coef


Out[95]:
$$\begin{pmatrix}a_{0}, & a_{1}, & a_{2}, & a_{3}, & a_{4}\end{pmatrix}$$

In [96]:
m=symbols('m',real=True)
y=x**m* sum([coef[i]*x**i for i in range(orden)])
y


Out[96]:
$$x^{m} \left(a_{0} + a_{1} x + a_{2} x^{2} + a_{3} x^{3} + a_{4} x^{4}\right)$$

In [97]:
a,b=symbols('a,b',real=True)
Ecua=y.diff(x,2)+(b-x)/x*y.diff(x)-a/x*y
Ecua=Ecua/x**(m-2)
Ecua=Ecua.expand()
Ecua


Out[97]:
$$- a a_{0} x - a a_{1} x^{2} - a a_{2} x^{3} - a a_{3} x^{4} - a a_{4} x^{5} + a_{0} b m + a_{0} m^{2} - a_{0} m x - a_{0} m + a_{1} b m x + a_{1} b x + a_{1} m^{2} x - a_{1} m x^{2} + a_{1} m x - a_{1} x^{2} + a_{2} b m x^{2} + 2 a_{2} b x^{2} + a_{2} m^{2} x^{2} - a_{2} m x^{3} + 3 a_{2} m x^{2} - 2 a_{2} x^{3} + 2 a_{2} x^{2} + a_{3} b m x^{3} + 3 a_{3} b x^{3} + a_{3} m^{2} x^{3} - a_{3} m x^{4} + 5 a_{3} m x^{3} - 3 a_{3} x^{4} + 6 a_{3} x^{3} + a_{4} b m x^{4} + 4 a_{4} b x^{4} + a_{4} m^{2} x^{4} - a_{4} m x^{5} + 7 a_{4} m x^{4} - 4 a_{4} x^{5} + 12 a_{4} x^{4}$$

In [98]:
Ecuaciones=[Ecua.diff(x,i).subs(x,0)/factorial(i) for i in range(orden)]
Ecuaciones


Out[98]:
$$\begin{bmatrix}a_{0} b m + a_{0} m^{2} - a_{0} m, & - a a_{0} - a_{0} m + a_{1} b m + a_{1} b + a_{1} m^{2} + a_{1} m, & - a a_{1} - a_{1} m - a_{1} + a_{2} b m + 2 a_{2} b + a_{2} m^{2} + 3 a_{2} m + 2 a_{2}, & - a a_{2} - a_{2} m - 2 a_{2} + a_{3} b m + 3 a_{3} b + a_{3} m^{2} + 5 a_{3} m + 6 a_{3}, & - a a_{3} - a_{3} m - 3 a_{3} + a_{4} b m + 4 a_{4} b + a_{4} m^{2} + 7 a_{4} m + 12 a_{4}\end{bmatrix}$$

Hallemos las soluciones de la ecuación indicial


In [99]:
Sol_Ecua_Ind=solve(Ecuaciones[0],m)
Sol_Ecua_Ind


Out[99]:
$$\begin{bmatrix}0, & - b + 1\end{bmatrix}$$

Esto resuelve el inciso 2 del ejercicio. Para obtener la relación de recurrencia debemos despejar $a_n$ de cada ecuación.


In [100]:
for i in range(1,orden):
    Recu=solve(Ecuaciones[i],coef[i])[0].factor()
    pprint(coef[i])
    pprint(Recu)


a₁
   a₀⋅(a + m)  
───────────────
(b + m)⋅(m + 1)
a₂
   a₁⋅(a + m + 1)  
───────────────────
(m + 2)⋅(b + m + 1)
a₃
   a₂⋅(a + m + 2)  
───────────────────
(m + 3)⋅(b + m + 2)
a₄
   a₃⋅(a + m + 3)  
───────────────────
(m + 4)⋅(b + m + 3)

Obtenemos $$a_n=\frac{a+m+n-1}{(m+n)(b+m+n-1)}a_{n-1}$$ Si $b\notin\mathbb{Z}$ entonces la diferencia entre las raíces de la ecuación indicial $0-(1-b)=b\notin\mathbb{Z}$. Así por el Teorema que hemos visto tenemos dos soluciones en serie de Frobenius $$y_1=x^0\sum\limits_{n=0}^{\infty}a_nx^n=\sum\limits_{n=0}^{\infty}a_nx^n,\quad\text{con }a_0\neq 0$$ y $$y_2=x^{1-b}\sum\limits_{n=0}^{\infty}b_nx^n=\sum\limits_{n=0}^{\infty}b_nx^n,\quad\text{con }b_0\neq 0$$ Son linealmente independientes (esto creo que en algún lugar del teórico está dicho) pues como $1-b\neq 0$ $$\lim_{x\to 0^+}\frac{y_1}{y_2}=\lim_{x\to 0^+}\frac{1}{x^{1-b}}\frac{a_0}{b_0}$$ y este límite es 0 o $\infty$ acorde a que $1-b<0$ o $1-b>0$ respectivamente. Entonces $y_1/y_2$ no puede ser constante.

Cuando $b\notin \mathbb{Z}$ tenemos que $m=0$ determina una solución. Pero, si $b$ es entero positivo, la raíz $m=0$ es mayor o igual que la raíz $m=1-b$ y entonces, en este caso también, $m=0$ nos da una solución en serie de Frobenius.

En cualquier caso el radio de convergencia es infinito pues

$$\lim_{n\to\infty}\frac{|a_n||x|^n}{|a_{n-1}||x|^{n-1}}=\lim_{n\to\infty}\frac{a+m+n-1}{(m+n)(b+m+n-1)}|x|=0$$

y se invoca el criterio del cociente


In [101]:
Sol_a_n=solve(Ecuaciones,coef[1:])
y.subs(Sol_a_n).subs(m,0)


Out[101]:
$$\frac{a a_{0} x^{4} \left(a + 1\right) \left(a + 2\right) \left(a + 3\right)}{b \left(2 b + 2\right) \left(3 b + 6\right) \left(4 b + 12\right)} + \frac{a a_{0} x^{3} \left(a + 1\right) \left(a + 2\right)}{b \left(2 b + 2\right) \left(3 b + 6\right)} + \frac{a a_{0} x^{2} \left(a + 1\right)}{b \left(2 b + 2\right)} + \frac{a a_{0}}{b} x + a_{0}$$

Para que quede lo que dice el ejercicio, debemos elegir $a_0=1$


In [102]:
y.subs(Sol_a_n).subs(m,0).subs(coef[0],1)


Out[102]:
$$\frac{a x^{4} \left(a + 1\right) \left(a + 2\right) \left(a + 3\right)}{b \left(2 b + 2\right) \left(3 b + 6\right) \left(4 b + 12\right)} + \frac{a x^{3} \left(a + 1\right) \left(a + 2\right)}{b \left(2 b + 2\right) \left(3 b + 6\right)} + \frac{a x^{2} \left(a + 1\right)}{b \left(2 b + 2\right)} + \frac{a x}{b} + 1$$

Si de la misma forma si $b\notin \mathbb{Z}$ o $b$ es entero menor o igual que cero, $m=1-b$ da una solución en serie de Frobenius. Hallémosla


In [103]:
y.subs(Sol_a_n).subs(m,1-b)


Out[103]:
$$x^{- b + 1} \left(\frac{a_{0} x^{4} \left(a - b + 1\right) \left(a - b + 2\right) \left(a - b + 3\right) \left(a - b + 4\right)}{\left(b \left(- b + 1\right) + \left(- b + 1\right)^{2} + 1\right) \left(b \left(- b + 1\right) - 3 b + \left(- b + 1\right)^{2} + 19\right) \left(b \left(- b + 1\right) - 2 b + \left(- b + 1\right)^{2} + 11\right) \left(b \left(- b + 1\right) - b + \left(- b + 1\right)^{2} + 5\right)} + \frac{a_{0} x^{3} \left(a - b + 1\right) \left(a - b + 2\right) \left(a - b + 3\right)}{\left(b \left(- b + 1\right) + \left(- b + 1\right)^{2} + 1\right) \left(b \left(- b + 1\right) - 2 b + \left(- b + 1\right)^{2} + 11\right) \left(b \left(- b + 1\right) - b + \left(- b + 1\right)^{2} + 5\right)} + \frac{a_{0} x^{2} \left(a - b + 1\right) \left(a - b + 2\right)}{\left(b \left(- b + 1\right) + \left(- b + 1\right)^{2} + 1\right) \left(b \left(- b + 1\right) - b + \left(- b + 1\right)^{2} + 5\right)} + \frac{a_{0} x \left(a - b + 1\right)}{b \left(- b + 1\right) + \left(- b + 1\right)^{2} + 1} + a_{0}\right)$$

No está muy claro el patrón que sigue la expresión porque SyPy no muestra los denominadores factorizados. Pidamos que lo haga y, de paso, sustituyamos $m$ por $1-b$


In [92]:
for an in coef[1:]:
    Sol_a_n[an]=Sol_a_n[an].factor().subs(m,1-b)

In [93]:
y.subs(Sol_a_n)


Out[93]:
$$x^{m} \left(\frac{a_{0} x^{9} \left(a - b + 1\right) \left(a - b + 2\right) \left(a - b + 3\right) \left(a - b + 4\right) \left(a - b + 5\right) \left(a - b + 6\right) \left(a - b + 7\right) \left(a - b + 8\right) \left(a - b + 9\right)}{362880 \left(- b + 2\right) \left(- b + 3\right) \left(- b + 4\right) \left(- b + 5\right) \left(- b + 6\right) \left(- b + 7\right) \left(- b + 8\right) \left(- b + 9\right) \left(- b + 10\right)} + \frac{a_{0} x^{8} \left(a - b + 1\right) \left(a - b + 2\right) \left(a - b + 3\right) \left(a - b + 4\right) \left(a - b + 5\right) \left(a - b + 6\right) \left(a - b + 7\right) \left(a - b + 8\right)}{40320 \left(- b + 2\right) \left(- b + 3\right) \left(- b + 4\right) \left(- b + 5\right) \left(- b + 6\right) \left(- b + 7\right) \left(- b + 8\right) \left(- b + 9\right)} + \frac{a_{0} x^{7} \left(a - b + 1\right) \left(a - b + 2\right) \left(a - b + 3\right) \left(a - b + 4\right) \left(a - b + 5\right) \left(a - b + 6\right) \left(a - b + 7\right)}{5040 \left(- b + 2\right) \left(- b + 3\right) \left(- b + 4\right) \left(- b + 5\right) \left(- b + 6\right) \left(- b + 7\right) \left(- b + 8\right)} + \frac{a_{0} x^{6} \left(a - b + 1\right) \left(a - b + 2\right) \left(a - b + 3\right) \left(a - b + 4\right) \left(a - b + 5\right) \left(a - b + 6\right)}{720 \left(- b + 2\right) \left(- b + 3\right) \left(- b + 4\right) \left(- b + 5\right) \left(- b + 6\right) \left(- b + 7\right)} + \frac{a_{0} x^{5} \left(a - b + 1\right) \left(a - b + 2\right) \left(a - b + 3\right) \left(a - b + 4\right) \left(a - b + 5\right)}{120 \left(- b + 2\right) \left(- b + 3\right) \left(- b + 4\right) \left(- b + 5\right) \left(- b + 6\right)} + \frac{a_{0} x^{4} \left(a - b + 1\right) \left(a - b + 2\right) \left(a - b + 3\right) \left(a - b + 4\right)}{24 \left(- b + 2\right) \left(- b + 3\right) \left(- b + 4\right) \left(- b + 5\right)} + \frac{a_{0} x^{3} \left(a - b + 1\right) \left(a - b + 2\right) \left(a - b + 3\right)}{6 \left(- b + 2\right) \left(- b + 3\right) \left(- b + 4\right)} + \frac{a_{0} x^{2} \left(a - b + 1\right) \left(a - b + 2\right)}{2 \left(- b + 2\right) \left(- b + 3\right)} + \frac{a_{0} x \left(a - b + 1\right)}{- b + 2} + a_{0}\right)$$

De esto se ve que, tomando $a_0=1$, la otra solución es $$y=1+\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(a-b+1)(a-b+2)\cdots(a-b+n)}{n!(2-b)(3-b)\cdots (n+1-b)}x^n$$

Ejercicio 4 Considerar el PVI: $$y''=y'+y,\quad y(0)=0,\quad y'(0)=1.$$

  • Derivar la solución en serie de potencias $$y(x)=\sum\limits_{n=1}^{\infty} \frac{F_n}{n!}x^n,$$ donde $F_n$ es la sucesión de números de Fibonacci, definidos por $F_1=1$, $F_2=1$ y $F_n=F_{n-1}+F_{n-2}$.
  • Demostrar que la serie anterior tiene radio de convergencia infinito.

Solución Hallemos la relación de recurrencia


In [106]:
orden=10
coef=symbols('a:10')
y=sum([coef[i]*x**i for i in range(orden)])
a,b=symbols('a,b',real=True)
Ecua=y.diff(x,2)-y.diff(x)-y
Ecua


Out[106]:
$$- a_{0} - a_{1} x - a_{1} - a_{2} x^{2} - 2 a_{2} x - a_{3} x^{3} - 3 a_{3} x^{2} - a_{4} x^{4} - 4 a_{4} x^{3} - a_{5} x^{5} - 5 a_{5} x^{4} - a_{6} x^{6} - 6 a_{6} x^{5} - a_{7} x^{7} - 7 a_{7} x^{6} - a_{8} x^{8} - 8 a_{8} x^{7} - a_{9} x^{9} - 9 a_{9} x^{8} + 2 \left(a_{2} + 3 a_{3} x + 6 a_{4} x^{2} + 10 a_{5} x^{3} + 15 a_{6} x^{4} + 21 a_{7} x^{5} + 28 a_{8} x^{6} + 36 a_{9} x^{7}\right)$$

In [107]:
Ecuaciones=[Ecua.diff(x,i).subs(x,0)/factorial(i) for i in range(orden)]
Ecuaciones


Out[107]:
$$\begin{bmatrix}- a_{0} - a_{1} + 2 a_{2}, & - a_{1} - 2 a_{2} + 6 a_{3}, & - a_{2} - 3 a_{3} + 12 a_{4}, & - a_{3} - 4 a_{4} + 20 a_{5}, & - a_{4} - 5 a_{5} + 30 a_{6}, & - a_{5} - 6 a_{6} + 42 a_{7}, & - a_{6} - 7 a_{7} + 56 a_{8}, & - a_{7} - 8 a_{8} + 72 a_{9}, & - a_{8} - 9 a_{9}, & - a_{9}\end{bmatrix}$$

Las dos últimas ecuaciones no sirven


In [109]:
Ecuaciones=Ecuaciones[:-2]
Ecuaciones


Out[109]:
$$\begin{bmatrix}- a_{0} - a_{1} + 2 a_{2}, & - a_{1} - 2 a_{2} + 6 a_{3}, & - a_{2} - 3 a_{3} + 12 a_{4}, & - a_{3} - 4 a_{4} + 20 a_{5}, & - a_{4} - 5 a_{5} + 30 a_{6}, & - a_{5} - 6 a_{6} + 42 a_{7}\end{bmatrix}$$

In [112]:
for i in range(6):
    Recu=solve(Ecuaciones[i],coef[i+2])[0].factor()
    pprint(coef[i+2])
    pprint(Recu)


a₂
a₀ + a₁
───────
   2   
a₃
a₁ + 2⋅a₂
─────────
    6    
a₄
a₂ + 3⋅a₃
─────────
    12   
a₅
a₃ + 4⋅a₄
─────────
    20   
a₆
a₄ + 5⋅a₅
─────────
    30   
a₇
a₅ + 6⋅a₆
─────────
    42   

Vemos que $$a_n=\frac{a_{n-2}+(n-1)a_{n-1}}{n(n-1)}$$

Recordemos que debemos tener $a_0=0$ y $a_1=1$. Hay que demostrar que $b_n:=n!a_n$ es la sucesión de Fibonacci $F_n$. Multiplicando la relación de recurrencia por $n!$ obtengo una relación de recurrencia para los $b_n$ $$b_n=n!a_n=(n-2)! (a_{n-2}+(n-1)a_{n-1})= (n-2)! a_{n-2}+(n-1)!a_{n-1}=b_{n-2}+b_{n-1}$$ Que resulta ser la misma relación de recurrencia que los números de Fibonacci. Además como $b_1=F_1=1$ y (hay que hacer la cuenta) $b_2=F_2=1$, por un Lemma del Teórico sobre relaciones de recurrencia $F_n=b_n$.

Para el radio de convergencia notemos que $$F_n=F_{n-1}+F_{n-2} \leq F_{n-1}+F_{n-1}=2F_{n-1}\Rightarrow 0\leq \frac{F_{n}}{F_{n-1}}\leq 2$$ Vale decir, $F_n/F_{n-1}$ está acotada. Entonces $$\lim_{n\to\infty}\frac{ \frac{F_n}{n!}|x|^n}{\frac{F_{n-1}}{(n-1)!}|x|^{n-1}}=\lim_{n\to\infty} \frac{F_{n}}{n F_{n-1}}|x|=0 $$ Nuevamente el criterio del cociente nos dice que el radio de convergencia es infinito.

El límite

$$\lim_{n\to\infty}\frac{F_{n}}{F_{n-1}}$$

se puede calcular, y de hecho es la razón aurea (ver el artículo en wikipedia). Pero no necesitamos saber eso para el ejercicio.


In [ ]: