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lunes, 19 de agosto de 2024

Acerca de cómo resolver un sistema de EDOs homogéneas de primer orden

Un sistema de EDOs homogéneas de primer orden puede expresarse matricialmente de la forma A\,Y=Y'

donde A es la matriz de los coeficientes del sistema, Y es el vector de correspondiente a la variable y e Y' es el vector correspondiente a la derivada de y. Veamos la idea sobre cómo podemos continuar con la resolución a partir de aquí.

Se trata de aplicar los resultados de la clasificación de endomorfismos: encontrar un cambio de base, cuya matriz denominamos C, de tal manera que la nueva matriz de los coeficientes B=C^{-1}\,A\,C presente una estructura más sencilla que la de A: una matriz de Jordan o, de ser posible, una matriz diagonal.

Entonces, A=C\,B\,C^{-1}, con lo cual,
  A\,Y=Y'
    (C\,B\,C^{-1})\,Y=Y'
      C^{-1}\,(C\,B\,C^{-1})\,Y=C^{-1}\,Y'
        (C^{-1}\,C)\,(B\,C^{-1})\,Y=C^{-1}\,Y'
          I\,(B\,C^{-1})\,Y=C^{-1}\,Y'
            (I\,B)\,(C^{-1}\,Y)=C^{-1}\,Y'
              B\,(C^{-1}\,Y)=C^{-1}\,Y', y siendo los nuevos vectores (de la variable y\rightarrow z y de la derivada de la misma y'\rightarrow z'), podemos escribir que C^{-1}\,Y=Z y C^{-1}\,Y'=Z', con lo cual, la línea anterior podemos escribirla de la forma:
  B\,Z=Z', que es más fácil de resolver que el problema original. De manera que, una vez encontremos esa solución, Z, encontraremos la de la ecuación original, Y, deshaciendo el cambio de base:
    C^{-1}\,Y=Z \Rightarrow C\,C^{-1}\,Y=C\,Z \Rightarrow I\,Y=C\,Z \Rightarrow Y=C\,Z

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