Métodos para resolver ecuaciones diferenciales: característica, separación y reducción
Tres métodos cubren buena parte de las ecuaciones diferenciales que aparecen en la práctica. El primero es la ecuación característica, para lineales de coeficientes constantes de cualquier orden: sustituyendo , cada raíz del polinomio resultante aporta una solución exponencial, las raíces dobles añaden un factor y las complejas producen senos y cosenos.
Por qué la ecuación característica. Detrás está la linealidad. Para un operador de coeficientes constantes , derivar repone siempre multiplicada por una potencia de , de modo que con el polinomio característico. Como , la exponencial es solución exactamente cuando . Cada raíz da una solución, y al ser lineal cualquier combinación de soluciones vuelve a serlo (superposición): con raíces distintas se tienen las soluciones independientes que forman la general. Si una raíz es doble (), también resuelve la ecuación —de ahí el factor —; y las raíces complejas combinan sus exponenciales, por la fórmula de Euler, en .
El segundo es la separación de variables, cuando la ecuación permite agrupar cada variable a un lado: se reescribe , se integra a y se despeja . Es la vía natural para las de primer orden con estructura de producto.
El tercero es la reducción de orden por estructura: reconocer que el lado izquierdo es la derivada de un producto o de un cociente. Así, es exactamente , y es : integrando una vez baja el orden y la ecuación reducida se resuelve con los métodos anteriores.
La calculadora de ecuaciones diferenciales de MathOperator clasifica la ecuación, aplica el método adecuado —mostrando la característica desarrollada, la separación o la reducción— y ofrece vías alternativas cuando existen. Las soluciones, incluidas las no lineales con funciones especiales, se representan gráficamente para varios valores de las constantes.