EDO asociada a la familia de rectas del plano cuya distancia al origen de coordenadas es igual a la unidad

¿Cuál es la EDO asociada a la familia de rectas del plano tal que para cada una de ellas la distancia al origen de coordenadas $O$ sea igual a la unidad?

Sea una de dichas rectas, cuya ecuación en forma implícita puede escribirse de la forma $r:ax+by+c=0\quad (1)$. Entonces, $\text{distancia}(r,O(0,0)):=\dfrac{a\cdot 0+b\cdot 0+c}{\sqrt{a^2+b^2}}=\dfrac{c}{\sqrt{a^2+b^2}}=-\dfrac{ax+by}{\sqrt{a^2+b^2}}=1 \quad (2)$

Ahora bien, $a$ y $b$ están relacionados con la pendiente de la recta, $m$; en efecto, si escribimos la ecuación de $r$ en forma explícita, tenemos que $r:y=m\,x+k$, pero de $(1)$, $\dfrac{a}{b}\,x+y=-\dfrac{c}{a}$, luego $y=-\dfrac{a}{b}\,x-\dfrac{c}{a}$, y por tanto se tiene que $m=-\dfrac{a}{b}$, con lo cual $a=-m\,b$; por consiguiente, $(2)$ puede escribir de la forma: $$\dfrac{(-mb)\,x+b\,y}{\sqrt{(-mb)^2+b^2}}=1$$ o lo que es lo mismo (simplificando), $$y-m\,x-\sqrt{1+m^2}=0 \quad (3)$$ Con lo cual, la solución general depende de un sólo parámetro (como era de esperar), $m$, y por tanto la EDO que buscamos ha de ser de primer orden.

Derivando $(3)$ con respecto de $x$ podremos despejar dicho parámetro y sustituirlo después para encontrar la ecuación diferencial pedida:
$$y'-m=0 \Rightarrow m=y'$$ con lo cual $(3)$ se reescribe de la forma $$y-x\,y'-\sqrt{1+(y')^2}=0$$ es decir $$y-x\,y'=\sqrt{1+(y')^2}$$ elevando al cuadrado en ambos miembros, $$(y-x\,y')^2=1+(y')^2$$ y, desarrollando el binomio al cuadrado del segundo miembro, y agrupando términos: $$(1-x)^2\,(y')^2+2xy\,y'-y^2+1=0$$

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EDO asociada a la familia de circunferencias de radio $2$, centradas en la bisectriz del primer y tercer cuadrantes

Consideremos la familia de circunferencia de radio igual a $2$ cuyos centros se encuentran sobre la bisectriz del primer y tercer cuadrantes del plano. ¿Cuál es la EDO asociada?

La ecuación de una de estas circunferencias, de centro $A(x_\alpha,y_\alpha)$, es $(x-x_\alpha)^2+(y-y_\alpha)^2=2^2$. Ahora bien, al estar $C$ en la bisectriz del primer y tercer cuadrantes, $\alpha_x=\alpha_y$, con lo cual se tiene que esta familia de circunferencias (solución general de la EDO) es $(x-x_\alpha)^2+(y-x_\alpha)^2=2^2$, esto es $x^2+y^2-2\,\alpha_x\,x-2\,\alpha_x\,y=4 \quad (1)$, donde $\alpha_x$ juega ahora el papel de constante arbitraria (de integración). Para obtener una expresión de la misma, derivo, despejo, simplifico y sustituyo:
Al derivar obtengo, $x+y-\alpha_x-\alpha_x\,y'=0$, es decir, $x+y=(y'+1)\,\alpha_x$ y por tanto, $\alpha_x=\dfrac{x+y}{1+y'}$, y sustituyendo en $(1)$ -que es lo mismo que $x^2+y^2-2\,\alpha_x\,(x+y)=4$- llegamos a $x^2+y^2-2\,\dfrac{(x+y)^2}{1+y'}=4$, es decir, $(x^2+y^2-4)(1+y')-2\,(x+y)^2=0$ $\diamond$

Alguns exemples de demostració pel mètode d'inducció, aplicats a les sèries

Exemple 1:
Demostreu, per inducció, la següent propietat:
    $1^2+2^2+3^2+\ldots+n^2=\dfrac{1}{6}\,n\,(n+1)\,(2\,n+1) \quad \quad \text{on} \quad n \in \mathbb{N}$

Solució:
Seguint els tres passos del mètode de demostració per inducció tenim. Aquests passos són els següents:

  i) És evident que la propietat és certa per a $n=1$, és a dir, es compleix $\mathcal{P}_1$

  ii) Suposem, ara, que la propietat $\mathcal{P}_n$ és certa ( suposem que és certa la proposició donada, és a dir, la igualtat donada a l'enunciat )

  iii) Provarem, a continuació, que la propietat també és certa per a $n+1$, és a dir, provarem que es verifica $\mathcal{P}_{n+1}$. Fet això, d'acord amb el principi dit d'inducció, quedarà demostrada la proposició $\mathcal{P}$ per a qualsevol valor de $n$. Partint, doncs, de l'expressió del primer membre de la igualtat donada (   $\mathcal{P}_n$   ) , sumem el terme $(n+1)^2$ al primer membre (sumem el quadrat del nombre consecutiu al darrer terme), obtenint
    $\big(1^2+2^2+3^2+\ldots+n^2\big)+(n+1)^2$
que, segons $\mathcal{P}_n$, és igual a
    $\dfrac{1}{6}\,n\,(n+1)\,(2\,n+1)+(n+1)^2$
expressió que és igual a
    $\dfrac{1}{6}\,(n+1)\,\big(2\,n^2+7\,n+6\big)$
i que, factoritzada, queda
    $\dfrac{1}{6}\,(n+1)\,(n+2)(2\,n+3)$
per tant es reprodueix la mateixa estructura de l'expressió del 2n membre per a $n+1$; en efecte, per veure-ho ben clar, tan sols cal substituir $n$ per $n+1$ a l'expressió del segon membre, verificant la reproducció de l'estructura de l'expressió:
    $\dfrac{1}{6}\,(n+1)\,\big((n+1)+1\big)\,\big(2\,(n+1)+1\big)$
Llavors, queda provada $\mathcal{P}$.
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Exemple 2:
Demostreu, per inducció, la següent propietat:
    $2+4+6+\ldots+2n=n\,(n+1)$     ( $n \in \mathbb{N}$ ).

Solució:
Seguint els tres passos del mètode de demostració per inducció tenim. Aquests passos són els següents:

  i) És evident que la propietat és certa per a $n=1$, és a dir, es compleix $\mathcal{P}_1$

  ii) Suposem, ara, que la propietat $\mathcal{P}_n$ és certa ( suposem que és certa la proposició donada, és a dir, la igualtat donada a l'enunciat )

  iii) Provarem, a continuació, que la propietat també és certa per a $n+1$, és a dir, provarem que es compleix $\mathcal{P}_{n+1}$. Fet això, d'acord amb el principi dit d'inducció, quedarà demostrada la proposició $\mathcal{P}$ per a qualsevol valor de $n$. Partint, doncs, de l'expressió del primer membre de la igualtat donada (   $\mathcal{P}_n$   ) , sumem el terme $2\,(n+1)$ al primer membre (sumem el nombre parell consecutiu al darrer terme), obtenint
  $\big(2+4+6+\ldots+2n\big)+2\,(n+1)$
que, segons $\mathcal{P}_n$, és igual a $n\,(n+1)+2\,(n+1)$
expressió que és igual a $n^2+3\,n+2$
i, factoritzada, queda
$(n+1)\,(n+2)$
per tant es reprodueix la mateixa estructura de l'expressió del 2n membre per a $n+1$; en efecte, per veure-ho ben clar, tan sols cal substituir $n$ per $n+1$ a l'expressió del segon membre, verificant la reproducció de l'estructura de l'expressió. Llavors, queda provada $\mathcal{P}$.
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Exemple 3:
Demostreu, per inducció, la següent propietat:
    $1+4+7+\ldots+(3\,n-2)=\dfrac{1}{2}\,n\,(3\,n-1) \quad \quad \text{on} \quad n \in \mathbb{N}$

Solució:
Seguint els tres passos del mètode de demostració per inducció tenim. Aquests passos són els següents:

  i) És evident que la propietat és certa per a $n=1$, és a dir, es compleix $\mathcal{P}_1$

  ii) Suposem, ara, que la propietat $\mathcal{P}_n$ és certa ( suposem que és certa la proposició donada, és a dir, la igualtat donada a l'enunciat )

  iii) Provarem, a continuació, que la propietat també és certa per a $n+1$, és a dir, provarem que es compleix $\mathcal{P}_{n+1}$. Fet això, d'acord amb el principi dit d'inducció, quedarà demostrada la proposició $\mathcal{P}$ per a qualsevol valor de $n$. Partint, doncs, de l'expressió del primer membre de la igualtat donada (   $\mathcal{P}_n$   ) , sumem el terme $3\,(n+1)-2$ al primer membre (sumem el valor del terme consecutiu de la successió aritmètica de diferència igual a $3$), obtenint
  $\bigg(1+4+7+\ldots+\big(3\,n-2\big)\bigg)+\big((3\,(n+1)-2\big)$
i, segons $\mathcal{P}_n$, és igual a
$\dfrac{1}{2}\,\bigg(\,n\,(3\,n-1)+2\,\big((3\,(n+1)-2\big)\bigg)$
expressió que és igual a
$\dfrac{1}{2}\,\big(3\,n^2+5\,n+2\big)$
i, factoritzada, queda
$\dfrac{1}{2}\,(n+1)\,(3\,n+2)$
on reconeixem la reproducció de l'estructura de la propietat $\mathcal{P}$ per a $n+1$
$\dfrac{1}{2}\,(n+1)\,(3\,(n+1)-1)$
i, doncs, queda provada $\mathcal{P}$.
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Exemple 4:
Demostreu, per inducció, la següent propietat:
    $1+5+9+\ldots+(4\,n-3)=n\,(2\,n-1) \quad \quad \text{on} \quad n \in \mathbb{N}$

Solució:
Seguint els tres passos del mètode de demostració per inducció tenim. Aquests passos són els següents:

  i) És evident que la propietat és certa per a $n=1$, és a dir, es compleix $\mathcal{P}_1$

  ii) Suposem, ara, que la propietat $\mathcal{P}_n$ és certa ( suposem que és certa la proposició donada, és a dir, la igualtat donada a l'enunciat )

  iii) Provarem, a continuació, que la propietat també és certa per a $n+1$, és a dir, provarem que es compleix $\mathcal{P}_{n+1}$. Fet això, d'acord amb el principi dit d'inducció, quedarà demostrada la proposició $\mathcal{P}$ per a qualsevol valor de $n$. Partint, doncs, de l'expressió del primer membre de la igualtat donada (   $\mathcal{P}_n$   ) , sumem el terme $4\,(n-3)+4$ al primer membre (sumem el valor del terme consecutiu de la successió aritmètica de diferència igual a $4$), obtenint
  $\bigg(1+5+9+\ldots+\big(4\,n-3\big)\bigg)+\big((4\,n-3)+4\big)$
i, segons $\mathcal{P}_n$, és igual a
    $n\,(2\,n-1)+\big((4\,n-3)+4\big)$
expressió que és igual a
    $2\,n^2+3\,n+1$
i, factoritzada (nota), queda
    $(n+1)\,(2\,n+1)$
on reconeixem la reproducció de l'estructura de la propietat $\mathcal{P}$ per a $n+1$
    $(n+1)\,\big(2\,(n+1)-1\big)$
i, doncs, queda provada $\mathcal{P}$. Hem acabat.
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Nota:  
Per factoritzar el polinomi $2\,n^2+3\,n+1$ en calculem, primer de tot, les arrels o zeros del polinomi (que són els nombres que l'anul·len) i, per acabar, aplicarem el teorema de factorització.

Resolem, doncs, l'equació $2\,n^2+3\,n+1=0$ per determinar les seves arrels. L'equació és polinòmica de 2n grau, i ja ve expressada en forma completa (o general) $a\,x^2+b\,x+c=0$, amb coeficients: $a=2$, $b=3$ i $c=1$
veiem que el discriminant $\Delta=b^2-4\,a\,c$ que és igual a $3^2-4 \cdot 2 \cdot 1 = 1$, que és un nombre positiu, i, per tant, veiem que hi ha dos nombres reals (diferents) com a solució, que són els següents:
      $\dfrac{-3\pm \sqrt{\Delta}}{2 \cdot 2}=\dfrac{-3\pm 1}{4}$
Obtenim, doncs, les següents arrels del polinomi
    $n_1=-\dfrac{1}{2} \quad \text{i} \quad n_2=-1$
llavors, pel teorema de factorització podem escriure
    $2\,n^2+3\,n+1=2\,\big(n-n_1\big)\,\big(n-n_2\big)$
és a dir
    $2\,n^2+3\,n+1=2\,\big(n-(-\dfrac{1}{2}\big)\,\big(n-(-1)\big)$
        $=2\,\bigg(n+\dfrac{1}{2}\bigg)\,\big(n+1)\big)$
        $=(n+1)\,\big(2\,(n+1)-1\big)$
        $=(n+1)\,\big(2\,n+1\big)$
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Exemple 5:
Demostreu, per inducció, la següent propietat:
    $1^3+2^3+\ldots+n^3=(1+2+\ldots+n)^2 \quad \quad \text{on} \quad n \in \mathbb{N}$

Solució:
Seguint els tres passos del mètode de demostració per inducció tenim. Aquests passos són els següents:

  i) És evident que la propietat és certa per a $n=1$, és a dir, es compleix $\mathcal{P}_1$

  ii) Suposem, ara, que la propietat $\mathcal{P}_n$ és certa (suposem que és certa la proposició donada, és a dir, la igualtat donada a l'enunciat, i que ja sabem que es igual a $\left( \dfrac{n\,(n+1)}{2}\right)^2$ suma dels $n$ termes consecutius de la succesió aritmética elevada al quadrat

  iii) Provarem, a continuació, que la propietat també és certa per a $n+1$, és a dir, provarem que es compleix $\mathcal{P}_{n+1}$. Fet això, d'acord amb el principi dit d'inducció, quedarà demostrada la proposició $\mathcal{P}$ per a qualsevol valor de $n$. Partint, doncs, de l'expressió del primer membre de la igualtat donada (   $\mathcal{P}_n$   ), sumem el terme $(n+1)^3$ als dos membres de la igualtat,
  $(1^3+2^3+\ldots+n^3)+(n+1)^3=\left( \dfrac{n\,(n+1)}{2}\right)^2+(n+1)^3$
i, si desenvolupem el segon membre, veurem que es igual a
    $(n+1)^2\,\left( (n/2)^2 + (n+1)\right)=(n+1)^2\left( n^2+4n+4\right)/2^2=(n+1)^2\,((n+2)/2)^2=((n+1)(n+2)/2)^2$

i, doncs, es compleix $\mathcal{P}_{n+1}$. Per tant, hem acabat.
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La constante de Euler-Mascheroni, $\gamma=0,5772156649...\ldots$

La constante de Euler-Mascheroni, que se suele denotar por $\gamma$ -no se debe confundir con el número irracional $e=2,71828182845904523536\ldots$ (la base de los logaritmos naturales o neperianos)-, se define como $$\gamma:=\displaystyle \lim_{n\rightarrow \infty}\,\sum_{i=1}^{n}\,\dfrac{1}{i}-\ln\,(n)$$ y se sabe que su valor es $0,5772156649...\ldots$ (véase esta otra entrada en mi blog), donde el sumatorio expresa la suma de los $n$ primeros términos de la serie armónica. Al parecer, no se sabe aún si se trata de un número algebraico o bien de un número trascendente; tampoco se sabe si se trata de un número racional.

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Longitud de un arco de cicloide entre dos valores dados del parámetro de evolución de la curva

Como es bien sabido, cuando un disco circular rueda sin deslizar a lo largo de una recta, un punto de su contorno describe una curva cicloide. El radio del disco es la unidad, y el disco rueda a lo largo del eje Ox, siendo las ecuaciones paramétricas de la curva cicloide: $\mathcal{C}:\vec{r(t)}=\left\{\begin{matrix}x(t)=t-\sin(t)\\y(t)=1-\cos(t)\end{matrix}\right.$ . Pues bien, en este ejercicio voy a calcular la longitud de la curva cicloide que corresponde a un giro completo del disco.

La longitud pedida (longitd de arco), $s(t)$, es $$\displaystyle s(t)=\int_{t_i}^{t_f}\,\|\dfrac{d}{dt}\,(\vec{r(t)})\|\,dt \quad (1)$$ Al derivar las ecuaciones paramétricas (con respecto del parámetro $t$) se obtiene $$\displaystyle \dfrac{d}{dt}\,(\vec{r(t)})=\left(\dot{(t-\sin(t))}\,,\,\dot{(1-\cos(t))}\right)=(1-\cos(t)\,,\,\sin(t))$$ por tanto $$\displaystyle \|\dfrac{d}{dt}\,(\vec{r(t)})\|=\sqrt{(1-\cos(t))^2+\sin^2(t)}=2\,(1-\cos(t))$$

Así pues, de $(1)$, en un giro completo $t_i=0$ y $t_f=2\,pi$, luego
  $\displaystyle s_{\text{primera vuelta}}=\int_{0}^{2\pi}\,\sqrt{2\,(1-\cos(t))}\,dt=\sqrt{2}\,\int_{0}^{2\pi}\,\sqrt{1-\cos(t)}\,dt=2\,I$ donde $\displaystyle I=\int_{0}^{2\pi}\,\sqrt{1-\cos(t)}\,dt$

Para calcular $I$, podemos ensayar el cambio de variable $t=2\,u$, por lo que $dt=2\,du$; y, si $t=0$, $u=0$, y para $t=2\pi$, se tiene que $u=\pi$. Así, $I=\displaystyle \sqrt{2}\,\int_{0}^{\pi}\,\sqrt{1-\cos(2u)}\,du=\sqrt{2}\,J$, donde $J=\displaystyle \int_{0}^{\pi}\,\sqrt{1-\cos(2u)}\,du$. Para calcular $J$, tengamos en cuenta la identidad $\sin^2\,(u)=\dfrac{1-\cos(2u)}{2}$, con lo cual $1-\cos(2u)=2\,\sin^2\,(u)$ por tanto,
  $J=\displaystyle \int_{0}^{\pi}\,\sqrt{2}\,\sqrt{\sin^2\,(u)}\,du=\int_{0}^{\pi}\,\sqrt{2}\,\sin\,(u)\,du$
    $\displaystyle=\sqrt{2}\,\int_{0}^{\pi}\,\sin\,(u)\,du=\sqrt{2}\,(-\cos(\pi)-(-\cos(0)))=\sqrt{2}\,\left(-(-1)-(-1)\right)=2\,\sqrt{2}$
luego $I=\sqrt{2}\cdot 2\,\sqrt{2}=4$ y por tanto $$s_{\text{primera vuelta}}=4\,\sqrt{2}\,\text{unidades de longitud}$$

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Ecuación de un plano perpendicular a una recta dada

Se quiere determinar la ecuación del plano, en $\mathbb{R}^3$, que contiene al punto $A(1,-1,0)$ y es perpendicular a la recta $r:\left\{\begin{matrix}x=1+(-1)\cdot\lambda\\y=1+1\cdot \lambda\\z=3+0\cdot \lambda\end{matrix}\right.\;\forall \lambda \in \mathbb{R} (\quad (1)$

La ecuación de la recta $r$ escrita en forma vectorial es $r:(x,y,z)=(\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3)+\lambda\,(u_x,u_y,u_z)$, siendo $(\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3)$ las coordenadas de un punto $P\in r$ y $(u_1,u_2,u_3)$ son las coordenadas de un vector director de $r$, por lo que podemos escribir las ecuaciones cartesianas de $r$ de la forma $$r:\left\{\begin{matrix}x=\alpha_1+\lambda\,u_1\\y=\alpha_2+\lambda\,u_2\\z=\alpha_3+\lambda\,u_3\end{matrix}\right.\;\forall \lambda \in \mathbb{R}\quad (2)$$ De la comparación de $(1)$ y $(2)$ se deduce que $u_1=-1$, $u_2=1$ y $u_3=0$, luego un $\vec{u}=(-1,1,0)$; y, $\alpha_1=1$, $\alpha_2=1$ y $\alpha_3=3$

Sea $X(x,y,z)$ un punto genérico del plano $\pi$; entonces, como $A$ también está en el plano, un vector en el plano $\pi$ es $\vec{AX}=(x-\alpha_1,y-\alpha_2,z-\alpha_3)$ y por tanto $$\vec{AX}=(x-1,y-1,z-3)$$

Teniendo en cuenta que $r$ ha de ser perpendicular a $\pi$, $\vec{u} \perp \pi$ y por tanto $$\vec{u} \perp \vec{AX} \Leftrightarrow \langle \vec{u}\,,\,\vec{AX}\rangle=\langle (-1,1,0)\,,\,(x-1,y-1,z-3)\rangle=-1\cdot (x-1)+1\cdot (y-1)+0\cdot (z-3)=0$$ En consecuencia, $-x+1+y-1+0=0$, esto es, $x-y=0$ y por tanto $$\pi:x-y=0$$

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Vectores constantes (en $t$, parámetro de evolución)

Se considera el vector $\vec{u(t)}\neq \vec{0}$ en $\mathbb{R}^3$, donde $t$ representa el parámetro de evolución. Se quiere demostrar que $\vec{u} \times \dot{\vec{u}}=\vec{0}$ si y sólo si la dirección de $\vec{u}$ es constante (no depende de $t$)

Se cumple la condición suficiente:
Si la dirección de $\vec{u}$ es constante (no depende de $t$), entonces $\dot{\vec{u}}=\vec{0}$, con lo cual, $\vec{u} \times \dot{\vec{u}}=\vec{u} \times \vec{0}=\vec{0}\quad \diamond$

Se cumple la condición necesaria:
Si $\vec{u} \times \dot{\vec{u}}=\vec{0}$, se tiene que, como $\dfrac{d}{dt}\,\left( \vec{u} \times \vec{u}\right)=\vec{u}\times \dot{\vec{u}}+\dot{\vec{u}}\times \vec{u}=\vec{u}\times \dot{\vec{u}}+(-\vec{u}\times \dot{\vec{u}})=\vec{u}\times \dot{\vec{u}}-\vec{u}\times \dot{\vec{u}}=\vec{0}$
  $\Leftrightarrow \vec{u} \times \vec{u}=\text{no depende de}\,t\, \Leftrightarrow \vec{u}=\text{no depende de}\,t$
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EDO asociada a una cierta familia de cardiodes

¿Cuál es la EDO asociada a la siguiente familia de cardiodes (dada en coordenadas polares)? $$\rho=\lambda\,(1-\cos\,(\theta))$$

Al haber una sola constante de integración, que es $\lambda$, el orden de la ecuación diferencial es $1$. Derivando con respecto a $\theta$ la solución general, se obtiene $$\rho'=\lambda\,\sin\,(\theta)$$ de donde despejando $\lambda$, se obtiene $$\lambda=\dfrac{\rho'}{\sin\,(\theta)}$$ y substituida la solución general encontramos $$\rho=\dfrac{\rho'}{\sin\,(\theta)}\,(1-\cos\,(\theta))$$ esto es, $$\rho'-\dfrac{\sin\,(\theta)}{1-\cos\,(\theta)}\,\rho=0$$ $\diamond$

Determinación de la ecuación diferencial a partir de su solución general

En este ejercicio me propongo determinar la ecuación diferencial ordinaria cuya solución general es $y=\sin\,(x+A)$, siendo $A$ la constante indeterminada (o de integración).

Al haber una sola constante de integración es claro que el orden de la ecuación diferencial es $1$. Bien, derivando con respecto a $x$ la solución general, se obtiene $$y'=\cos\,(x+A)$$ y, por tanto, $$(y')^2=\cos^2\,(x+A) \quad (1)$$ Por otra parte, de la solución general, puede escribirse que $$y^2=\sin^2\,(x+A) \quad (2)$$ Sumando miembro a miembro $(1)$ y $(2)$, $$(y')^2+y^2=\cos^2\,(x+A) +\sin^2\,(x+A)$$ y, teniendo en cuenta la identidad fundamental de la trigonometría (en el segundo miembro), $$(y')^2+y^2-1=0$$ $\diamond$

Obtención de la ecuación diferencial asociada a su solución general

En este ejercicio me propongo determinar la ecuación diferencial ordinaria cuya solución general es $\ln\,(y)=A\,x^2+B$, siendo $A$ y $B$ las constantes indeterminadas.

Al haber dos constantes arbitrarias es claro que el orden de la ecuación diferencial es $2$. Bien, derivando con respecto a $x$ la solución general, se obtiene $$\dfrac{1}{y}\,y'=2\,A\,x+0$$ de donde se deduce que $$A=\dfrac{y'}{2\,y\,x}$$Susbstituyendo en la solución general, $$\ln\,(y)=\dfrac{x}{2\,y}\,y'+B$$ y derivando otra vez con respecto a $x$, $$\dfrac{1}{y}\,y'=\dfrac{1}{2}\,\left(\dfrac{(y'+x\,y\,y'')\,y-x\,(y')^2}{y^2}\right)$$ y simplificando, $$x\,y\,y''-y\,y'-x\,(y')^2=0$$ $\diamond$

Un ejercicio de cálculo de la matriz canónica de un endomorfismo

Me propongo encontrar la forma canónica de Jordan asociada a la matriz $A=\begin{pmatrix}3&-1&-1\\ 1& 1 & -1\\1&-1&1\end{pmatrix}$ así com el cambio de base correspondiente

Calculo los valores propios:
$P(\lambda)=\begin{vmatrix}3-\lambda&-1&-1\\ 1& 1-\lambda & -1\\1&-1&1-\lambda\end{vmatrix}$
  $P(\lambda)=0$
    $(\lambda-1)(\lambda-2)=0 \Rightarrow \left\{\begin{matrix}\lambda_1=1\,,\,k_1=1\\\lambda_2=2\,,\,k_2=2\end{matrix}\right.$
Subespacions propios:
  $E_1(1)=\text{ker}(A-1\cdot I)$
  $E_2(2)=\text{ker}(A-2\cdot I)$

Dimensión de los espacios propios:
Teniendo en cuenta que $(A-1\cdot I)=\begin{pmatrix}2&-1&-1\\ 1& 0 & -1\\1&-1&0\end{pmatrix}$, vemos que, como $\text{det}(A-1\cdot I)=0$, $\text{rango}(A-1\cdot I)\lt 3$, y, como existen menores de orden $2$ no nulos, como por ejemplo, $\begin{vmatrix}2&-1\\1&0\end{vmatrix}=1\neq 0$, se tiene que $\text{rango}(A-1\cdot I)=2$, con lo cual $$\text{dim}(E_1(1))=\text{dim}(V)-\text{rango}(A-1\cdot I)=3-2=1$$
Por otra parte, $(A-2\cdot I)=\begin{pmatrix}2&-1&-1\\ 1& -1 & -1\\1&-1&-1\end{pmatrix}$. Como las filas/columnas segunda y tercera son las mismas que la primera es claro que $\text{rango}(A-1\cdot I)= 1$, luego $$\text{dim}(E_2(2))=\text{dim}(V)-\text{rango}(A-2\cdot I)=3-1=2$$ Démonos cuenta de que al coincidir la multiplicidad de cada valor propio con la dimensión del correspondiente subespacio propio, $k_1=1$ y $\text{dim}(E_1(1))=1$; $k_2=2$ y $\text{dim}(E_2(2))=2$, la matrix de la forma canónica de Jordan ha de ser una matriz diagonal: $$D=\begin{pmatrix}1&0&0\\0&2&0\\0&0&2\end{pmatrix}$$

Calculo, ahora, una base para cada subespacio propio. Para $E_1(1)$, deberá cumplirse que $$\begin{pmatrix}2&-1&-1\\ 1& 0 & -1\\1&-1&0\end{pmatrix}\begin{pmatrix}x_1\\ x_2\\x_3\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}0\\ 0\\0\end{pmatrix}$$ Al ser la dimensión de $E_1(1)=1$, el número de parámetros libres del sistema de ecuaciones lineales asociados, con dos ecuaciones linealmente independientes, es $1$. La última fila de la matriz es combinación lineal de las dos primeras, luego podemos escribir el sistema de ecuacines lineales de la forma
$\left\{\begin{matrix}2\,x_1-x_2=x_3\\x_1=x_3\end{matrix}\right.\Rightarrow E_1(1)=\{a\,(1,1,1), a\in \mathbb{K}\}$ luego, para (por ejemplo) $a=1$, el vector $(1,1,1)=:\vec{u}_1$ constituye una base de $E_1(1)$, que notamos de la forma $E_1(1)=\langle(1,1,1)\rangle$. El vector $\vec{u}_1$ es pues el primer vector de la nueva base con respecto a la cual escribiremos la matriz de la forma canónica de Jordan -en el caso que nos ocupa es una matriz diagonal-, siendo sus coordenadas las de la primera columna de la matriz del cambio de base (de la b. canónica a la nueva base).

Para $E_2(2)$, deberá cumplirse que $$\begin{pmatrix}1&-1&-1\\ 1& -1 & -1\\1&-1&-1\end{pmatrix}\begin{pmatrix}x_1\\ x_2\\x_3\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}0\\ 0\\0\end{pmatrix}$$ El número de ecuaciones linealmente independientes es por tanto $1$, y al ser la dimensión de $E_2(2)=2$, el número de parámetros libres del sistema de ecuaciones lineales asociados, con dos ecuaciones linealmente independientes, es $2$. El sistema de ecuaciones lineales asociado puede escribirse por tanto con una única ecuación:
$\left\{\begin{matrix}x_2+x_3=x_1\end{matrix}\right.\Rightarrow E_2(2)=\{a\,(1,0,1)+b\,(1,1,0);\, a\,b\in \mathbb{K}\}$ luego, para (por ejemplo) $a=1$ y $b=1$, los vectores $(1,0,1)=:\vec{u}_2$ y $(1,1,0)=:\vec{u}_3$ constituyen una base de $E_2(2)$, que notamos de la forma $E_2(2)=\langle(1,0,1),((1,1,0)\rangle$. Los vectores vector $\vec{u}_2$ y $\vec{u}_3$ son, respectivamente, el segundo y el tercer vector de la nueva base del espacio vectorial $V$ con respecto a la cual escribiremos la matriz de la forma canónica de Jordan, siendo sus coordenadas las de la segunda y tercera columnas de la matriz, $P$, del cambio de base (de la b. canónica a la nueva base): $$P=\begin{pmatrix}1&1&1\\1&0&1\\1&1&0\end{pmatrix}$$

Observación:
La matriz dada, $\begin{pmatrix}3&-1&-1\\ 1& 1 & -1\\1&-1&1\end{pmatrix}$ es la matriz del endomorfismo con respecto a la base canónica , $\{(1,0,0),(0,1,0),(0,0,1)\}$ y la matriz de Jordan (en nuestro caso, diagonal) que hemos encontrado $\begin{pmatrix}1&0&0\\0&2&0\\0&0&2\end{pmatrix}$ es la matriz del endomorfismo con respecto a la nueva base $\{(1,1,1),(1,0,0),(1,1,0)\}$. Puede comprobarse que, efectivamente, se cumple $$D=P^{-1}\,A\,P$$ $\diamond$

Cálculo de una integral de línea

Consideremos la siguiente curva, $\mathcal{C}$, en $\mathbb{R}^3$ que viene dada en forma paramétrica $$\left.\begin{matrix}x&=&2\,t\\y&=& t^2+1\\z&=&t^3\end{matrix}\right\}\,\forall\,t\in\mathbb{R}$$y sea el vector $\vec{v}=2xy^{2}z\,\hat{i}+(x-2y-z)\hat{j}+5x^{2}z\,\hat{k}$, donde $\hat{i}, \hat{j}$ y $\hat{k}$ son los vectores de la base canónica estándar (versores). Nos proponemos calcular la integral de línea $\displaystyle \int_{\mathcal{C}}\,\langle\vec{v}\,,\,d\vec{r}\rangle$ entre los puntos $P_i\,(0,1,0)$ y $P_f\,(2,2,1)$

Siendo $\vec{r}:=x\,\hat{i}+y\,\hat{j}+z\,\hat{k}=2t\,\hat{i}+(t^2+1)\,\hat{j}+t^3\,\hat{k}$ el vector de posición de un punto genérico de la curva $\mathcal{C}$, se tiene que, diferenciando con respecto de $t$, $d\vec{r}=2\,\hat{i}+(2t+1)\,\hat{j}+3t^2\,\hat{k}$

Por otra parte,
$\vec{v}=2\,(2t)\,(t^2+1)^2\,\hat{i}+(2t-2(t^2+1)-t^3)\,\hat{j}+5\,(2t)^{2}\,t^3\,\hat{k}$
  $=4t^4(t^2+1)^2\,\hat{i}+(-t^3-2t^2+2t-2)\,\hat{j}+20t^5\,\hat{k}$

Así pues,
$\displaystyle \int_{\mathcal{C}}\,\langle\vec{v}\,,\,d\vec{r}\rangle=$   $\displaystyle \int_{t_i}^{t_f}\,\langle (4t^4(t^2+1)^2\,,\,(-t^3-2t^2+2t-2)\,,\,20t^5)\,,\,(2\,,\,(2t+1)\,,\,3t^2) \rangle\,dt$
    $\displaystyle \int_{t_i}^{t_f}\,(8t^8+60t^7+16t^6+6t^4-4t^3+4t^2-4t)\,dt \quad (1)$

Calculemos los valores de $t_i$ y $t_f$: Para $P_i\,(0,1,0)$ se tiene que $\left.\begin{matrix}0&=&2\,t\\1&=& t^2+1\\0&=&t^3\end{matrix}\right\} \Leftrightarrow t_i=0$ y para Para $P_f\,(2,2,1)$ se tiene que $\left.\begin{matrix}2&=&2\,t\\2&=& t^2+1\\1&=&t^3\end{matrix}\right\} \Leftrightarrow t_f=1$

En consecuencia, de $(1)$, $\displaystyle \int_{\mathcal{C}}\,\langle\vec{v}\,,\,d\vec{r}\rangle=\displaystyle \int_{0}^{1}\,(8t^8+60t^7+16t^6+6t^4-4t^3+4t^2-4t)\,dt=\dfrac{6\,431}{630}\quad \diamond$

Conjuntos en los que definimos una relación de orden

Consideremos un conjunto $B$ contenido en otro conjunto $A$ en el que hay definida una relación de orden $\prec$. Pues bien, es sabido que ésta induce una relación de orden en $B$, de tal manera que:

Si $m\in A$ precede a todos los elementos de $B$, decimos que $m$ es un elemento minorante de $B$; y, si existen más elementos en $A$ que, como $m$, también preceden a todos los elementos de $B$, hablamos entonces del conjunto de los minorantes de $B$. Al último elemento de los minorantes de $B$ (la mayor de las cotas inferiores de $B$) se le denomina ínfimo de $B$, y en el caso de que dicho ínfimo pertenezca también a $B$, diremos que es el elemento mínimo de $B$.

Si $M\in A$ es precedido por todos los elementos de $B$, decimos que $M$ es un elemento mayorante de $B$; y, si existen más elementos en $A$ que, como $M$, también son precedidos por todos los elementos de $B$, hablamos entonces del conjunto de los mayorantes de $B$. Al primer elemento de los mayorantes de $B$ (la menor de las cotas superiores) se le denomina supremo de $B$, y en el caso de que dicho supremo pertenezca también a $B$, diremos que es el elemento máximo de $B$.

La relación binaria $x|y$ en $\mathbb{N}$ es una relación de orden

Se considera la siguiente relación binaria: $$x \mathcal{R} y \Leftrightarrow x | y\,\forall\,x,y\in \mathbb{N}$$¿Es una relación de orden? (el símbolo $x|y$ denota que $x$ divide a $y$)

Para que sea una relación de orden la relacion binaria propouesta debe cumplir las siguientes tres condiciones: i) reflexiva ii) antisimétrica y iii) transitiva. Veamos que se cumplen las tres (para cada una, solamente probaré a condición necesaria, pues la suficiente es evidente):

i) Es reflexiva: Para todo $x\in \mathbb{N}$ se tiene que $x=1\cdot x=x$, luego $x|x$ y por tanto $x\mathcal{R}x$. $\diamond$

ii) Es antisimétrica: Si $x\mathcal{R}y$, entonces $x|y \Rightarrow$ eixiste un número $m\in \mathbb{N}$ tal que $y=m\,x$; y si $y\mathcal{R}x$ entonces $y|x \Rightarrow$ existe un número $n\in \mathbb{N}$ tal que $x=m\,y$ luego $y=m\cdot n\,y$ y por tanto $m\cdot n=1 \Rightarrow m=1$ y $n=1$, y en consecuencia $y=x$. $\diamond$

iii) Es transitiva: Si $x\mathcal{R}y$, entonces $x|y \Rightarrow$ eixiste un número $p\in \mathbb{N}$ tal que $y=p\,x$; y si $y\mathcal{R}z$ entonces $z|y \Rightarrow$ existe un número $q\in \mathbb{N}$ tal que $z=q\cdot y$ luego $z=q\cdot p\,x$ y por tanto, como $q\cdot p=:k\in \mathbb{N}$, $z=k\,x \Rightarrow x|z$ con lo cual $x\mathcal{R}z$. $\diamond$

Un ejercicio en el que se busca la matriz de una aplicación lineal

En este ejercicio me propongo encontrar la matriz, con respecto a las bases canónicas del espacio vectorial de partida y el de llegada, que corresponde a la aplicación lineal $f:V_4(\mathbb{R}) \rightarrow V_3(\mathbb{R})$, tal que: $$i) \quad f((1,1,0,0)^\top=(1,0,0)^\top$$ $$ii) \quad f((0,1,1,0)^\top=(0,1,0)^\top$$ $$iii) \quad f((0,0,1,1)^\top=(0,0,1)^\top$$ $$iv) \quad f((0,0,0,1)^\top=(0,0,1)^\top$$

Como la dimensión del espacio vectorial de llegada es $3$ y el de partida es $4$, la matriz de la aplicación lineal es $A_{3 \times 4}$, esto es $$A=\begin{pmatrix}a_{11} & a_{12} & a_{13} & a_{14} \\ a_{21} & a_{22} & a_{23} & a_{24} \\ a_{31} & a_{32} & a_{33} & a_{34} \end{pmatrix}$$

Por la condición $(i)$ se tiene que $$\begin{pmatrix}a_{11} & a_{12} & a_{13} & a_{14} \\ a_{21} & a_{22} & a_{23} & a_{24} \\ a_{31} & a_{32} & a_{33} & a_{34}\end{pmatrix}\begin{pmatrix}1 \\ 1\\ 0 \\ 0\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}1\\ 0 \\ 0\end{pmatrix}$$ luego $$\left\{\begin{matrix} a_{11}+a_{12}=1 \\ a_{21}+a_{22}=0 \\ a_{31}+a_{32}=0 \end{matrix}\right. \quad (1)$$

Por la condición $(ii)$ se tiene que $$\begin{pmatrix}a_{11} & a_{12} & a_{13} & a_{14} \\ a_{21} & a_{22} & a_{23} & a_{24} \\ a_{31} & a_{32} & a_{33} & a_{34}\end{pmatrix}\begin{pmatrix}0 \\ 1\\ 1 \\ 0\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}0\\ 1 \\ 0\end{pmatrix}$$ luego $$\left\{\begin{matrix} a_{12}+a_{13}=0 \\ a_{22}+a_{23}=1 \\ a_{32}+a_{33}=0 \end{matrix}\right. \quad (2)$$

Por la condición $(iii)$ se tiene que $$\begin{pmatrix}a_{11} & a_{12} & a_{13} & a_{14} \\ a_{21} & a_{22} & a_{23} & a_{24} \\ a_{31} & a_{32} & a_{33} & a_{34}\end{pmatrix}\begin{pmatrix}0 \\ 0\\ 1 \\ 1\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}0\\ 0 \\ 1\end{pmatrix}$$ luego $$\left\{\begin{matrix} a_{13}+a_{14}=0 \\ a_{23}+a_{24}=0 \\ a_{33}+a_{34}=1 \end{matrix}\right. \quad (3)$$

Y, por la condición $(iv)$, $$\begin{pmatrix}a_{11} & a_{12} & a_{13} & a_{14} \\ a_{21} & a_{22} & a_{23} & a_{24} \\ a_{31} & a_{32} & a_{33} & a_{34}\end{pmatrix}\begin{pmatrix}0 \\ 0\\ 0 \\ 1\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}0\\ 0 \\ 1\end{pmatrix}$$ luego $$\left\{\begin{matrix} a_{14}=0 \\ a_{24}=0 \\ a_{34}=1 \end{matrix}\right. \quad (4)$$

Sustituyendo $(4)$ en $(3)$ obtenemos $a_{13}=a_{23}=a_{33}=0$

Sustituyendo todos estos resultados en $(2)$ obtenemos $a_{12}=0$ y $a_{22}=1$

Y, finalmente, sustituyendo lo encontrado hasta ahora en $(1)$ obtenemos $a_{11}=1$, $a_{21}=-1$ y $a_{31}=0$

Así pues concluimos que $$A=\begin{pmatrix}1 & 0 & 0 & 0 \\ -1 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}$$

$\diamond$