La carga q en el condensador de un circuito sencillo RLC queda descrita mediante la ecuación Lq^'' (t)+Rq^' (t)+1/C q(t)=E(t), donde L es la inductancia, R la resistencia, C la capacitancia del circuito y E la fuente de voltaje. Como la resistencia de un resistor se aumenta con la temperatura, supongamos que la resistencia se calienta cambiando su valor de modo que R=(1+t/8)Ω. Si C=4 Faradios, L=0.25 Henrios y la fuente de voltaje está apagada, además teniendo en cuenta las condiciones iniciales donde la carga q(0)=2 Coulombs y la corriente dq/dt (0)=0 A, obtenga los primeros 5 términos de la solución en serie de potencias en torno a t=0 para la carga del condensador.


Respuestas

Respuesta dada por: gedo7
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RESPUESTA:

Tenemos inicialmente la ecuación diferencial, tal que:

Lq''(t)+Rq'(t)+1/C q(t)=E(t)

Tenemos los valores de L, R y C, que son:

C = 4F

L = 0.25 H

Para R sabemos que t = 0, posición inicial, entonces:

R = (1+0/8) Ω

R = 1 Ω

Se sustituyen los valores en la ecuación original:

0.25q''(t)+1q'(t)+1/4 q(t)=E(t)

Tenemos una ecuación de segundo orden que debemos solucionar, para ello debemos buscar la ecuación característica.

0.25·m² + m + 1/4 = 0

Solucionamos aplicando resolvente y tenemos:

  • m₁ = -0.26
  • m₂ = -3.73

Entonces, nuestra ecuación diferencial tiene una solución de la siguiente forma:

q(t)=C₁e^(m₁t)+C₂e^(m₂t)

Sustituimos los valores encontrados:

q(t)=C₁e^(-0.26t)+C₂e^(-3.73t)

Aplicamos las condiciones iniciales, es decir, q(0) = 2 y tenemos que:

q(0)=C₁+C₂ = 2

Ahora derivamos:

q'(t)= -0.26C₁e^(-0.26t)-3.73C₂e^(-3.73t)

Evaluamos en la condición, es decir, q'(0) = 0

q'(0) = -0.26C₁ - 3.73C₂ = 0

Con nuestras dos ecuaciones procedemos despejar el valor de las constantes:

C₁ = 2-C₂

-0.26(2-C₂) - 3.73C₂ = 0

-0.52 + 0.26C₂ - 3.73C₂ = 0

  • C₂ = -0.15
  • C₁ = 2.15

Por tanto, nuestra solución será:

q(t)=-0.15e^(-0.26t)+2.15e^(-3.73t)

¿SERIE DE POTENCIA?

Debemos comenzar de la serie de potencia más básica, es decir la f(x) = eˣ, tenemos:

eˣ = ∑xⁿ/n!  → desde n = 0 hasta ∞

Partiendo de esto obtenemos la serie de potencia que necesitamos, tenemos:

-0.15eˣ = -0.15·∑xⁿ/n!

-0.15e^(-0.26x) = -0.15·∑(-0.26x)ⁿ/n!

Nuestra serie de potencia es entonces:

S₁ = -0.15·∑(-0.26x)ⁿ/n!

Lo mismo se hace para el segundo termino y tenemos:

S₂ = 2.15·∑(-3.73x)ⁿ/n!

Nos piden los 5 primeros términos, lo haremos de manera individual, para ello le debemos dar valores a la serie, desde n = 0 hasta n = 4, ya que son los primeros 5 términos.

Primera serie de potencia:

S₁ = -0.15 - 0.15·(-0.26x)¹/1! - 0.15·(-0.26x)²/2! - 0.15·(-0.26x)³/3! - 0.15·(-0.26x)⁴/4!

Segunda serie de potencia:

S₂ = 2.15 + 2.15·(-3.73x)¹/1! + 2.15·(-3.73x)²/2! - 2.15·(-3.73x)³/3! - 2.15·(-3.73x)⁴/4!

Teniendo de esta manera los 5 primeros términos de la serie de potencia, para simplificar se puede sumar y  realizar operaciones, esto se dejara para el usuario.

St = S₁ + S₂

NOTA: para obtener la serie de potencia se deben aplicar propiedades básicas de la serie de potencia.

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