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Ecuaciones diferenciales homogéneas: el cambio v = y/x

Una ecuación diferencial de primer orden es homogénea cuando puede escribirse como y′=f ⁣(yx),y' = f\!\left(\tfrac{y}{x}\right), es decir, cuando el segundo miembro depende solo del cociente y/xy/x y no de xx e yy por separado. Esta estructura permite un cambio de variable que la reduce a una ecuación de variables separables, que ya se sabe integrar.

El cambio de variable. Se introduce v=y/xv = y/x, o equivalentemente y=v xy = v\,x. Derivando este producto respecto a xx se obtiene y′=v+x v′y' = v + x\,v'. Al sustituir en la ecuación, el segundo miembro pasa a ser f(v)f(v): v+x v′=f(v).v + x\,v' = f(v). El término vv se cancela y queda x v′=f(v)−vx\,v' = f(v) - v, que es separable: agrupando cada variable en un lado, dvf(v)−v=dxx.\frac{dv}{f(v) - v} = \frac{dx}{x}.

Integrar y deshacer el cambio. Se integran los dos lados —el derecho da log⁡∣x∣+C\log|x| + C— y, una vez obtenida la relación entre vv y xx, se deshace el cambio poniendo v=y/xv = y/x para volver a la variable original. Por ejemplo, y′=yx+tan⁡yxy' = \tfrac{y}{x} + \tan\tfrac{y}{x} da f(v)−v=tan⁡vf(v) - v = \tan v, y la integral ∫dvtan⁡v=log⁡∣sin⁡v∣\int \tfrac{dv}{\tan v} = \log|\sin v| conduce a log⁡∣sin⁡(y/x)∣=log⁡∣x∣+C\log|\sin(y/x)| = \log|x| + C.

Cuándo aparece como alternativa. Una misma ecuación puede pertenecer a varias familias a la vez. Por ejemplo, y′=x+yxy' = \tfrac{x+y}{x} es lineal (se resuelve con un factor integrante) y también homogénea; y y′=x2+y2xyy' = \tfrac{x^2+y^2}{xy} es de Bernoulli y homogénea. En estos casos el cambio v=y/xv = y/x es una vía alternativa, igual de válida, para llegar a la misma solución.

Reconocer que una ecuación es homogénea es, en la práctica, comprobar que al sustituir y=v xy = v\,x desaparecen xx e yy y queda una función solo de vv. En la calculadora, escribir y′=y/x+tan⁡(y/x)y' = y/x + \tan(y/x) en el operador de ecuaciones diferenciales muestra el cambio, la ecuación separable resultante y la vuelta a la variable original paso a paso.

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