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Ecuaciones lineales de primer orden: factor integrante y solución homogénea más particular

Una ecuación diferencial lineal de primer orden es la que puede escribirse en la forma y′+P(x) y=Q(x),y'+P(x)\,y=Q(x), con PP y QQ funciones de xx. Es lineal porque yy y su derivada aparecen a la primera potencia y sin multiplicarse entre sí; si Q=0Q=0, se dice homogénea. Este artículo presenta el método del factor integrante, que da la solución en una fórmula, y la lectura de esa solución como suma de la solución general de la homogénea y una particular.

El factor integrante. La idea es multiplicar la ecuación por una función μ(x)\mu(x) que convierta el lado izquierdo en la derivada de un producto. Como (μy)′=μy′+μ′y(\mu y)'=\mu y'+\mu' y, basta que μ′=P μ\mu'=P\,\mu, lo que se cumple con μ(x)=e∫P dx.\mu(x)=e^{\int P\,dx}. Multiplicada por μ\mu, la ecuación queda (μy)′=μ Q(\mu y)'=\mu\,Q; al integrar, μy=∫μ Q dx+C\mu y=\int\mu\,Q\,dx+C, y se despeja y=1μ(x)(∫μ(x) Q(x) dx+C).y=\frac{1}{\mu(x)}\left(\int\mu(x)\,Q(x)\,dx+C\right). En la primitiva de PP no hace falta constante: cambiarla multiplicaría μ\mu por un número, que se cancela al despejar.

Un ejemplo. En y′+y=xy'+y=x se tiene P=1P=1 y μ=ex\mu=e^{x}. La ecuación queda (exy)′=x ex\left(e^{x}y\right)'=x\,e^{x}, y la integral, por partes, es ∫x ex dx=(x−1) ex\int x\,e^{x}\,dx=(x-1)\,e^{x}. Entonces exy=(x−1) ex+Ce^{x}y=(x-1)\,e^{x}+C y y=C e−x+x−1.y=C\,e^{-x}+x-1.

Homogénea más particular. La solución obtenida tiene dos partes: C e−xC\,e^{-x} es la solución general de la homogénea y′+y=0y'+y=0, y x−1x-1 es una solución particular de la ecuación completa. No es una coincidencia, sino una consecuencia de la linealidad: la diferencia de dos soluciones de la ecuación completa resuelve la homogénea, así que todas las soluciones son y=yh+ypy=y_h+y_p, con yhy_h la general de la homogénea e ypy_p una particular cualquiera. Por eso ypy_p puede buscarse por otras vías: por coeficientes indeterminados, proponiendo yp=a x+by_p=a\,x+b, que da a+a x+b=xa+a\,x+b=x, luego a=1a=1 y b=−1b=-1; o por variación de parámetros, que en primer orden coincide con el factor integrante.

El comportamiento de las soluciones. En el ejemplo, e−x→0e^{-x}\to0 cuando x→∞x\to\infty, de modo que todas las soluciones se acercan a la recta y=x−1y=x-1, cualquiera que sea CC. La parte homogénea describe un régimen transitorio que se extingue y la particular, el régimen permanente. Es la situación de un circuito RC con una tensión variable, de un depósito de mezcla con una concentración de entrada que cambia o de un cuerpo que se enfría en un ambiente de temperatura variable.

El problema de valor inicial. Una condición fija CC: con y(0)=0y(0)=0, se obtiene 0=C−10=C-1, luego C=1C=1 e y=e−x+x−1y=e^{-x}+x-1. Si PP y QQ son continuas en un intervalo, la solución con una condición inicial en él existe en todo el intervalo y es única.

Con la calculadora. La calculadora de ecuaciones diferenciales escribe la ecuación en forma estándar, calcula el factor integrante, desarrolla la integral de μ Q\mu\,Q y despeja yy; ofrece además la vía de la transformada de Laplace. Puede probarse con y' + y = x o y' + y = exp(x).

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