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Resolver una ecuación diferencial $f'(z) = e^{-2} (f(z/e))^2$

Tengo curiosidad por saber si existe una solución simple y cerrada para la siguiente ED y, si es así, cuál es.

$$\begin{align} f'(z) &= e^{-2} (f(z/e))^2 \\ f(0) &= 1. \end{align}$$

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Me pregunto si podemos calcular las derivadas de $f$ de todos los pedidos en $x = 0.$ tenemos $$f(0) = 1, f'(0) = \frac1{e^2}. \tag 1$$ podemos tomar la ecuación diferencial $$f'(x) = \frac 1{e^2} f^2\left( \frac xe\right) $$ y podemos diferenciar repetidamente para obtener $$f''(x) = \frac 2{e^3} f\left( \frac xe\right) f'\left( \frac xe\right), \,f'''(x)=\frac2{e^4}\left(f'\left( \frac xe\right)f'\left( \frac xe\right)+f\left( \frac xe\right)f''\left( \frac xe\right)\right), \cdots$$

para que tengamos $$f''(0) = \frac 2{e^5},\, f'''(0) = \frac2{e^4}\left(\frac 1{e^4}+ \frac{2}{e^5}\right),\, f(x) = 1 + \frac{x}{e^2} + \frac{x^2}{e^5} + \cdots.$$

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Las primeras derivadas parecen ser (órdenes $0,1,2,3,4,5,6$ ): $1$ , $e^{-2}$ , $2e^{-5}$ , $4e^{-9}+2e^{-8}$ , $8e^{-14}+4e^{-13}+12e^{-12}$ , $16e^{-20}+8e^{-19}+24e^{-18}+32e^{-17}+40e^{-16}$ y $32 e^{-27} + 16 e^{-26} + 48 e^{-25} + 64 e^{-24} + 160 e^{-23} + 40 e^{-22} + 280 e^{-21} + 80 e^{-20}$ . Bastante extraño, pero parece que la serie debería converger para todos $x$ .

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@DejanGovc, gracias por confirmar y calcular las derivadas de orden superior. ¿ves algún patrón?

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En realidad no, pero demostrar la convergencia probablemente no debería ser demasiado difícil. Si se me ocurre algo útil, te lo haré saber.

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andy.holmes Puntos 518

No se trata en absoluto de una ecuación diferencial, ya que conecta datos de dos posiciones diferentes. Si se utiliza $g(x)=f(e^x)$ entonces $$ g'(x)=f'(x)e^x=e^{-2}f(e^x/e)^2e^x=e^{x-2}g(x-1)^2 $$ es una ecuación diferencial con retardo. Estas tienen en general una teoría de existencia difícil o inexistente y métodos numéricos igualmente incompletos.

En este caso especial, puede prescribir una solución casi libremente para $x\in[0,1]$ o $z\in[1,e]$ con la única restricción de que $g'(1)=e^{-1}g(0)^2$ . Todos los demás valores se derivan de la integración, $$ g(x)=g(1)+\int_1^x g'(s)\,ds=g(1)+\int_1^x e^{s-2}g(s-1)^2\,ds $$ sucesivamente para los intervalos $x\in[1,2]$ , $[2,3]$ ,


Hasta ahora, esto construirá una solución en $x\in[0,\infty)$ . Para mantener la opción de una solución en $x\in\Bbb R$ abierto, tome cualquier función infinitamente diferenciable y totalmente (en todas las derivadas) creciente $h(x)$ con $h(0)>0$ y $h'(1)>0$ y establecer $g(x)=a·h(x)$ con $a$ determinado por $h'(1)=a/e·h(0)^2$ . Se puede divertir aún más poniendo $g(x)=a·h(x)+b$ para que resulte una familia de un solo parámetro.

Ejemplo para la solución más sencilla: $g(x)=e·(1+x)$ en $[0,1]$ . Entonces para $x\in[1,2]$ $$ g(x)=2·e+\int_1^x e·(1+2s+s^2)\,ds = 2·e+\frac{e}3·(x-1)·(7+4·x+x^2) $$ En $[2,3]$ el título será $7$ etc.

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Esta es una muy buena idea, pero no debería $g$ sea creciente por el lado derecho de la ecuación, restringiendo las opciones válidas para $x\in[0,1]$ ¿un poco?

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No sólo eso, para ir $n$ unidades hacia atrás iterando $g(x)=\sqrt{e·g'(x+1)}$ también necesitas derivadas de cualquier orden y que todas las derivadas sean no negativas. ¿Hay un nombre para esto, hiperconvexo o algo así? Creo que he visto esto en la teoría de la cópula.

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ILIV Puntos 421

La relación de recurrencia para los coeficientes de la expansión en serie de $f(x)$ se muestra a continuación. Los valores de los coeficientes disminuyen muy rápidamente. La figura muestra que sólo unos pocos términos son suficientes para obtener una buena aproximación de la función $f(x)$ .

En la figura, las curvas que representan las series de 20 y 100 términos son idénticas (dibujadas en rojo)

Nota: Para la fórmula de elevar al cuadrado la serie, véase : https://en.wikipedia.org/wiki/Cauchy_product

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