Ecuaciones diferenciales: qué son y tipos

Una ecuación diferencial es una ecuación que relaciona una función desconocida con una o más de sus derivadas. Resolverla significa encontrar la función. Son la herramienta matemática principal para describir fenómenos que cambian en el tiempo o en el espacio: el movimiento de un cuerpo, el enfriamiento de un objeto, el crecimiento de una población o la carga de un circuito eléctrico.

Ejemplo básico

La ecuación dy/dx = 2x pide una función cuya derivada sea 2x. Su solución general es y = x² + C. Es una ecuación diferencial ordinaria de primer orden que se resuelve por integración directa.

Clasificación principal

Según el tipo de derivadas

Según el orden

El orden es el de la derivada más alta. y′ = y² es de primer orden; y″ + 4y = 0 es de segundo orden (describe un oscilador armónico).

Lineales y no lineales

Una ecuación es lineal si la función y sus derivadas aparecen solo a la primera potencia y sin multiplicarse entre sí. y′ + 2y = x es lineal; y′ = y² y y·y′ = x no lo son. Las lineales tienen una teoría muy completa; las no lineales suelen ser mucho más difíciles.

Autónomas y no autónomas

Si x no aparece explícitamente (y′ = f(y)), la ecuación es autónoma. Es el caso del crecimiento logístico y′ = ky(1 − y).

Métodos para primer orden

TipoFormaIdea del método
Integración directay′ = f(x)Integrar ambos lados
Separabley′ = g(x)h(y)Separar e integrar
Linealy′ + p(x)y = q(x)Factor integrante
ExactaM dx + N dy = 0 con ∂M/∂y = ∂N/∂xBuscar una función potencial
Homogéneay′ = F(y/x)Sustitución v = y/x

Soluciones general y particular

La solución general contiene constantes arbitrarias (tantas como el orden). Una solución particular se obtiene al fijar esas constantes con condiciones iniciales. Por ejemplo, y′ = 2y tiene solución general y = Ce^(2x); si y(0) = 5, entonces C = 5 y y = 5e^(2x). El conjunto de la ecuación más la condición inicial se llama problema de valor inicial.

Existencia y unicidad

Bajo condiciones razonables (f y ∂f/∂y continuas), el problema y′ = f(x, y), y(x₀) = y₀ tiene una única solución cerca de x₀. Es un resultado fundamental que garantiza que tiene sentido buscar «la» solución.

Aplicaciones típicas

Por dónde empezar

El orden recomendado es: dominar las integrales con la tabla básica, practicar con ejercicios resueltos, y después pasar a separación de variables y a las ecuaciones lineales. La calculadora de integración directa te permite comprobar los casos más simples.

Ejercicios propuestos

Clasifica según tipo, orden y linealidad: (a) y″ − 3y′ + 2y = 0; (b) y′ = x²y; (c) ∂u/∂t = ∂²u/∂x².

Respuestas: (a) EDO de segundo orden, lineal; (b) EDO de primer orden, lineal y separable; (c) EDP de segundo orden (ecuación del calor).

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