Cómo linealizar una EDO

Digamos que estamos buscando y = y (x). Usualmente contamos la serie de Taylor de las funciones que contienen y o sus derivados y mantenemos solo los términos constantes y lineales. También nos deshacemos de los términos donde y y sus derivados se multiplican entre sí. Sin embargo, todavía queremos mantener los poderes de x.

Lo bueno de la linealización es que la ecuación es más a menudo soluble después de ella y las soluciones tienen algunas buenas propuestas, como crear un espacio afín. Sin embargo, la solución es similar a la solución de precisión solo para valores que son mucho más pequeños en valor absoluto que 1 (o muy cercanos a algún otro valor, si no cuenta la serie de Taylor en 0).

Un breve ejemplo:

y ” + k ^ 2 * sin (y) = 0

Esta ecuación no se puede resolver con funciones elementales comúnmente conocidas. Si calculamos la serie Taylor de la función seno en 0 y mantenemos solo el término constante y lineal, obtenemos:

y ” + k ^ 2 * y = 0

que es la ecuación de un oscilador armónico simple con la solución:

y = A * cos (k * x) + B * sin (k * x)

Esta solución es muy similar a la solución de la ecuación original si el valor absoluto de y es mucho menor que 1.

Para las ecuaciones diferenciales de primer orden que son homogéneas, puede usar la sustitución y = ux donde u es una función de x. Esto transformará la ecuación en una ecuación lineal separable.

También puede usar la sustitución y = u ^ (n-1) para transformar una ecuación de Bernoulli [y ‘+ Py = Qy ^ n] en una ecuación lineal de primer orden. P y Q son funciones de x en la ecuación de Bernoulli.

Hay otros tipos de ecuaciones (incluido el segundo orden) que también se pueden linealizar. No estoy familiarizado con ellos, pero aún necesita usar una sustitución adecuada para linealizarlos.

Deje y = A * f (x), con A considerado vagamente “pequeño”, y Taylor expanda todo en términos de A. Luego, elimine todas las contribuciones no triviales de orden más bajo (que generalmente serán lineales en A).