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Lição 29 — EDOs em Séries de Potências

Solução de EDOs lineares em séries de potências: pontos ordinários, pontos singulares regulares, método de Frobenius, equação de Bessel e funções especiais básicas.

Used in: Cálculo 2 — Unidade 3 · USP MAT0112 · ITA MA-012

y=n=0an(xx0)nrecorreˆncia para an;y=xrn=0anxn  (Frobenius, ponto singular regular)y = \sum_{n=0}^\infty a_n(x-x_0)^n \Rightarrow \text{recorrência para } a_n;\quad y = x^r\sum_{n=0}^\infty a_n x^n\;\text{(Frobenius, ponto singular regular)}

Em ponto ordinário, a solução em série converge no disco até a singularidade mais próxima. No método de Frobenius, o expoente rr satisfaz a equação de índices.

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Rigorous notation, full derivation, hypotheses

Pontos ordinários e singulares

Classificação de pontos

Para P(x)y+Q(x)y+R(x)y=0P(x)y'' + Q(x)y' + R(x)y = 0 (forma: y+p(x)y+q(x)y=0y'' + p(x)y' + q(x)y = 0 com p=Q/Pp = Q/P, q=R/Pq = R/P):

  • x0x_0 é ponto ordinário se pp e qq são analíticas em x0x_0.
  • x0x_0 é ponto singular regular se (xx0)p(x)(x-x_0)p(x) e (xx0)2q(x)(x-x_0)^2 q(x) são analíticas em x0x_0.
  • Caso contrário: ponto singular irregular.

Teorema (ponto ordinário)

Se x0x_0 é ponto ordinário, a solução em série y=n=0an(xx0)ny = \displaystyle\sum_{n=0}^\infty a_n(x-x_0)^n converge para xx0<ρ|x-x_0| < \rho onde ρ\rho é a distância de x0x_0 à singularidade mais próxima (no plano complexo).

Método de Frobenius (ponto singular regular)

Tente y=xrn=0anxn=n=0anxn+ry = x^r\displaystyle\sum_{n=0}^\infty a_n x^n = \displaystyle\sum_{n=0}^\infty a_n x^{n+r} com a00a_0 \neq 0.

Substituindo na EDO: a equação de índices r(r1)p0+rq0+r0=0r(r-1)p_0 + rq_0 + r_0 = 0 (onde p0=limx0xp(x)p_0 = \lim_{x\to 0}xp(x), q0=limx0x2q(x)q_0 = \lim_{x\to 0}x^2 q(x)) determina r1,r2r_1, r_2.

Três casos:

  • r1r2Zr_1 - r_2 \notin \mathbb{Z}: duas soluções de Frobenius y1,y2y_1, y_2.
  • r1=r2r_1 = r_2: y1y_1 de Frobenius; y2=y1lnx+bnxn+r1y_2 = y_1\ln x + \sum b_n x^{n+r_1}.
  • r1r2Z+r_1 - r_2 \in \mathbb{Z}^+: y1y_1 com r1=rmaxr_1 = r_{\max}; y2y_2 pode conter y1lnxy_1\ln x.

Equação de Bessel de ordem ν\nu

x2y+xy+(x2ν2)y=0x^2 y'' + xy' + (x^2-\nu^2)y = 0

Solução: Jν(x)=m=0(1)mm!Γ(m+ν+1)(x2)2m+νJ_\nu(x) = \displaystyle\sum_{m=0}^\infty\frac{(-1)^m}{m!\Gamma(m+\nu+1)}\left(\frac{x}{2}\right)^{2m+\nu}.

Exemplos resolvidos


Exercícios

Bloco A — Pontos ordinários

Bloco B — Frobenius

Bloco C — Nível ITA/USP

To continue

  • Boyce, W. & DiPrima, R. — Equações Diferenciais Elementares, §5.2–5.8 — LTC, 10ª ed.
  • Zill, D.G. — Equações Diferenciais, §6.1–6.3 — Cengage, 10ª ed.
  • Apostol, T.M. — Calculus, vol. 1, §10.25 — Wiley, 2ª ed.
  • REAMATCálculo Numérico, §7.5 — UFRGS

Updated on 2026-05-28 · Author(s): Clube da Matemática

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