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La ecuación de Clairaut: una familia de rectas y su envolvente

La ecuación de Clairaut es una ecuación diferencial de primer orden con una forma muy particular: y=xy+f(y),y = x\,y' + f(y'), es decir, la función es igual a xx por su derivada más una expresión que depende solo de la derivada. Su interés está en que tiene dos soluciones de naturaleza distinta —una familia de rectas y una curva que las envuelve— y en que ambas salen de un mismo cálculo breve.

Derivar una vez. Si se deriva la ecuación respecto a xx y se usa que ddx(xy)=y+xy\tfrac{d}{dx}(x\,y')= y' + x\,y'', el término yy' aparece a ambos lados y se cancela: queda (x+f(y))y=0.\left(x + f'(y')\right)y'' = 0. Un producto es cero cuando lo es alguno de sus factores, y cada factor da una solución.

La solución general: una familia de rectas. El primer factor, y=0y'' = 0, significa que yy' es constante; llamándola CC, la ecuación original se convierte en y=Cx+f(C)y = Cx + f(C). Es una recta por cada valor de CC: la solución general es toda esa familia. Por ejemplo, para y=xy+(y)2y = x\,y' + (y')^2 es y=Cx+C2y = Cx + C^2.

La solución singular: la envolvente. El segundo factor, x+f(y)=0x + f'(y') = 0, no contiene ninguna constante arbitraria: describe una curva concreta. Tomando p=yp = y' como parámetro, de x=f(p)x = -f'(p) y y=xp+f(p)y = x\,p + f(p) se elimina pp y queda la solución singular. Geométricamente es la envolvente de la familia de rectas: la curva tangente a todas ellas. Para el ejemplo anterior, x=2px = -2p da p=x/2p = -x/2 y la envolvente y=x2/4y = -x^2/4, una parábola a la que todas las rectas y=Cx+C2y = Cx + C^2 son tangentes.

La solución singular es notable porque no se obtiene dando un valor a la constante de la general: es una solución aparte, propia de este tipo de ecuación. En la calculadora, escribir y=xy+(y)2y = x\,y' + (y')^2 en el operador de ecuaciones diferenciales muestra las dos ramas paso a paso, con la familia de rectas y su envolvente.

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