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Questão de Matemática — Equações diferenciais ordinárias — FGV 2024

MatemáticaEquações diferenciais ordinárias
Código
fg164411
Banca
FGV
Órgão
INPE
Ano
2024
Cargo
Tecno Jr ( )
A resposta descrita pelos estados de um sistema dinâmico possui duas componentes: resposta natural e resposta forçada. De particular interesse é a resposta natural, a qual depende apenas da matriz de transição de estados \phi(t) e das condições iniciais desses estados. Considere um determinado sistema dinâmico linear e invariante no tempo, cuja matriz de estados pode ser fatorada em MLM^{−1} , onde as matrizes L e M são definidas por   L=[−200−1]\begin{bmatrix} -2&0\\0&-1 \end{bmatrix} e M=[10−32]\begin{bmatrix} 1&0\\-3&2 \end{bmatrix}.   A matriz de transição de estados \phi(t) desse sistema é:
  1. A[1+e−2t0e−2t+e−t−32+e−t]\begin{bmatrix} 1+e^{-2t}&0\\e^{-2t}+e^{-t}-3&2+e^{-t} \end{bmatrix}
  2. B[e−2t03e−t−3e−2te−t]\begin{bmatrix} e^{-2t}&0\\3e^{-t}-3e^{-2t}&e^{-t} \end{bmatrix}
  3. C[−2e−2t03e−2t−e−t]\begin{bmatrix} -2e^{-2t}&0\\3e^{-2t}&-e^{-t} \end{bmatrix}
  4. D[e−2t002e−t]\begin{bmatrix} e^{-2t}&0\\0&2e^{-t} \end{bmatrix}
  5. E[e−2t0e3te−t]\begin{bmatrix} e^{-2t}&0\\e^{3t}&e^{-t} \end{bmatrix}
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GabaritoB — \begin{bmatrix} e^{-2t}&0\\3e^{-t}-3e^{-2t}&e^{-t} \end{bmatrix}.

Comentário gerado por IA. É um apoio ao estudo, ancorado em fontes, mas pode conter imprecisões — confira sempre na fonte oficial (lei, súmula, edital e gabarito da banca). Encontrou um erro? Use “Reportar”.

Matriz de Transição de Estados

Gabarito: letra B. A matriz de transição de estados ϕ(t)ϕ(t) de um sistema linear invariante no tempo é dada por eAte^{At}, onde AA é a matriz de estados. Como A=MLM−1A = MLM^{-1}, temos que eAt=MeLtM−1e^{At} = M e^{Lt} M^{-1}. Calculando eLte^{Lt} (exponencial de uma matriz diagonal) e realizando o produto MeLtM−1M e^{Lt} M^{-1}, obtemos exatamente a matriz da alternativa B: [e−2t03e−t−3e−2te−t]\begin{bmatrix} e^{-2t} & 0 \\ 3e^{-t}-3e^{-2t} & e^{-t} \end{bmatrix}.

A matriz de transição de estados é um conceito fundamental na análise de sistemas dinâmicos lineares. Ela descreve como o estado do sistema evolui no tempo a partir de uma condição inicial, sem considerar a entrada (resposta natural). Matematicamente, para um sistema x˙(t)=Ax(t)\dot{x}(t) = A x(t), a solução é x(t)=ϕ(t)x(0)x(t) = \phi(t) x(0), onde ϕ(t)=eAt\phi(t) = e^{At}.

O cálculo de eAte^{At} pode ser feito de várias formas. Uma delas é a diagonalização: se A=MLM−1A = M L M^{-1}, onde LL é uma matriz diagonal contendo os autovalores, então eAt=MeLtM−1e^{At} = M e^{Lt} M^{-1}. A exponencial de uma matriz diagonal é simplesmente a exponencial de cada elemento da diagonal: se L=diag(λ1,λ2)L = \text{diag}(\lambda_1, \lambda_2), então eLt=diag(eλ1t,eλ2t)e^{Lt} = \text{diag}(e^{\lambda_1 t}, e^{\lambda_2 t}).

Nesta questão, L=[−200−1]L = \begin{bmatrix} -2 & 0 \\ 0 & -1 \end{bmatrix}, então eLt=[e−2t00e−t]e^{Lt} = \begin{bmatrix} e^{-2t} & 0 \\ 0 & e^{-t} \end{bmatrix}. O passo crucial é calcular M−1M^{-1} e então efetuar o produto MeLtM−1M e^{Lt} M^{-1}.

Para M=[10−32]M = \begin{bmatrix} 1 & 0 \\ -3 & 2 \end{bmatrix}, a inversa é M−1=1det⁡(M)adj(M)M^{-1} = \frac{1}{\det(M)} \text{adj}(M). O determinante é det⁡(M)=(1)(2)−(0)(−3)=2\det(M) = (1)(2) - (0)(-3) = 2. A matriz adjunta é adj(M)=[2031]\text{adj}(M) = \begin{bmatrix} 2 & 0 \\ 3 & 1 \end{bmatrix}. Portanto, M−1=12[2031]=[103/21/2]M^{-1} = \frac{1}{2} \begin{bmatrix} 2 & 0 \\ 3 & 1 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 3/2 & 1/2 \end{bmatrix}.

Agora, calculamos o produto:

MeLtM−1=[10−32][e−2t00e−t][103/21/2]M e^{Lt} M^{-1} = \begin{bmatrix} 1 & 0 \\ -3 & 2 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} e^{-2t} & 0 \\ 0 & e^{-t} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 3/2 & 1/2 \end{bmatrix}

Primeiro, MeLt=[e−2t0−3e−2t2e−t]M e^{Lt} = \begin{bmatrix} e^{-2t} & 0 \\ -3e^{-2t} & 2e^{-t} \end{bmatrix}.

Depois, multiplicamos pela direita por M−1M^{-1}:

[e−2t0−3e−2t2e−t][103/21/2]=[e−2t⋅1+0⋅3/2e−2t⋅0+0⋅1/2−3e−2t⋅1+2e−t⋅3/2−3e−2t⋅0+2e−t⋅1/2]\begin{bmatrix} e^{-2t} & 0 \\ -3e^{-2t} & 2e^{-t} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 3/2 & 1/2 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} e^{-2t} \cdot 1 + 0 \cdot 3/2 & e^{-2t} \cdot 0 + 0 \cdot 1/2 \\ -3e^{-2t} \cdot 1 + 2e^{-t} \cdot 3/2 & -3e^{-2t} \cdot 0 + 2e^{-t} \cdot 1/2 \end{bmatrix}

=[e−2t0−3e−2t+3e−te−t]=[e−2t03e−t−3e−2te−t]= \begin{bmatrix} e^{-2t} & 0 \\ -3e^{-2t} + 3e^{-t} & e^{-t} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} e^{-2t} & 0 \\ 3e^{-t} - 3e^{-2t} & e^{-t} \end{bmatrix}.

Este é exatamente o resultado da alternativa B. A pegadinha central está em não calcular corretamente a inversa de MM ou errar na ordem da multiplicação das matrizes. A banca explora a confusão entre MeLtM−1M e^{Lt} M^{-1} e M−1eLtMM^{-1} e^{Lt} M, que são diferentes.

  1. 1A = M·L·M⁻¹
  2. 2e^{Lt} = diag(e^{λt})
  3. 3Calcular M⁻¹
  4. 4Produto M·e^{Lt}·M⁻¹
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Alternativa A — ❌ Incorreta

Esta alternativa apresenta elementos que não correspondem ao resultado do produto matricial. O termo 1+e−2t1+e^{-2t} na posição (1,1) sugere um erro na exponenciação ou na multiplicação, pois o correto é apenas e−2te^{-2t}. Além disso, o termo e−2t+e−t−3e^{-2t}+e^{-t}-3 na posição (2,1) não é o resultado de −3e−2t+3e−t-3e^{-2t} + 3e^{-t}. A presença do número 33 e a soma de exponenciais indicam uma confusão entre a matriz MM e sua inversa, ou um erro na ordem das operações.

Alternativa B — ✅ Correta ⟵ GABARITO

Como demonstrado no desenvolvimento, o cálculo de ϕ(t)=MeLtM−1\phi(t) = M e^{Lt} M^{-1} resulta exatamente em [e−2t03e−t−3e−2te−t]\begin{bmatrix} e^{-2t} & 0 \\ 3e^{-t} - 3e^{-2t} & e^{-t} \end{bmatrix}. A posição (2,1) reflete a combinação linear das exponenciais proveniente da multiplicação das matrizes, e as posições (1,1) e (2,2) são as exponenciais dos autovalores. Esta é a única alternativa que corresponde ao cálculo correto.

Alternativa C — ❌ Incorreta

Esta alternativa contém os autovalores multiplicados por constantes (−2e−2t-2e^{-2t} e −e−t-e^{-t}), o que não é o procedimento correto. A exponencial de matriz não é a exponencial dos elementos multiplicada por eles mesmos; é a exponencial de cada autovalor na diagonal. Além disso, o termo 3e−2t3e^{-2t} na posição (2,1) não tem relação com o resultado correto, que envolve a diferença 3e−t−3e−2t3e^{-t} - 3e^{-2t}.

Alternativa D — ❌ Incorreta

Esta alternativa apresenta uma matriz diagonal, o que seria o resultado se MM fosse a identidade. No entanto, como MM não é a identidade, a matriz de transição não é diagonal. O termo 2e−t2e^{-t} na posição (2,2) também está incorreto, pois o autovalor correspondente é −1-1, resultando em e−te^{-t}, sem o fator 2. A banca explora aqui a confusão entre a matriz LL e a matriz AA.

Alternativa E — ❌ Incorreta

Esta alternativa apresenta o termo e3te^{3t} na posição (2,1), que não tem relação com os autovalores do sistema (−2-2 e −1-1). O termo e3te^{3t} sugere um autovalor 33, que não existe. Além disso, a estrutura da matriz não reflete o acoplamento entre os estados, que é dado pela matriz MM. A presença de e3te^{3t} é um distrator claro para quem não calcula corretamente a exponencial da matriz.

Gabarito: letra B

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