Tengo curiosidad por saber si existe una solución simple y cerrada para la siguiente ED y, si es así, cuál es.
$$\begin{align} f'(z) &= e^{-2} (f(z/e))^2 \\ f(0) &= 1. \end{align}$$
Tengo curiosidad por saber si existe una solución simple y cerrada para la siguiente ED y, si es así, cuál es.
$$\begin{align} f'(z) &= e^{-2} (f(z/e))^2 \\ f(0) &= 1. \end{align}$$
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 $$f''(0) = \frac 2{e^5},\, f'''(0) = \frac2{e^4}\left(\frac 1{e^4}+ \frac{2}{e^5}\right),\, f(x) = 1 + \frac{x}{e^2} + \frac{x^2}{e^5} + \cdots.$$
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 $x$ .
@DejanGovc, gracias por confirmar y calcular las derivadas de orden superior. ¿ves algún patrón?
En realidad no, pero demostrar la convergencia probablemente no debería ser demasiado difícil. Si se me ocurre algo útil, te lo haré saber.
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.
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?
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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