Campos vetoriais lineares e suas trajetórias
Campos vetoriais lineares no plano
Um
campo vetorial no plano consiste em associar a cada
ponto $P$ de uma região do plano $(x,y)$ um
vetor $v_P$:
\[P\mapsto v_p\]
O vetor $v_P$ pode ser pensado como tendo origem no ponto $P$ e representa uma
velocidade instantânea.
A Interação a seguir plota campos vetoriais no plano.
O exemplo default dessa Interação tem em sua primeira coordenada um termo
cúbico. Ou seja,
não é um campo
linear no sentido da definição a seguir:
Definição: Um campo de vetores do plano é Linear se existem números $a,b,c,d,A,B$ Reais tais que
\[{\small (x,y) \mapsto ( a\cdot x + b \cdot y + A\, , \, c\cdot x + d \cdot y + B )} \]
Campos lineares no
espaço são tratados na Seção
Campos vetoriais lineares no espaço dos
Complementos ao Curso de Equações Diferenciais.
Na maioria das aplicações e exercícios os coeficientes $a,b,c,d,A,B$ são números Racionais. Aqui nos concentraremos em campos lineares com $A=B=0$, ou seja,
\[ (x , y) \mapsto ( a\cdot x + b \cdot y\, , \, c\cdot x + d \cdot y)\]
É importante pensar que estamos associando uma
velocidade instantânea a cada ponto, ou seja, que estamos definindo um
campo de velocidades:
\[ (x^{\prime} \, , \, y^{\prime} \,) = ( a\cdot x + b \cdot y\, , \, c\cdot x + d \cdot y)\]
Observe que campos vetoriais dessa forma associam a velocidade instantânea
zero à origem $(x,y)=(0,0)$. A origem é então chamada de
ponto crítico do campo.
Vamos buscar trajetórias exatas desses campos de velocidades, ou seja, curvas parametrizadas
\[\gamma(t) = (x(t) , y(t) ),\quad t\in \mathbb{R}\]
tais que
\[{\small (x^{\prime}(t) \, , \, y^{\prime}(t) \,) = ( a\cdot x(t) + b \cdot y(t)\, , \, c\cdot x(t) + d \cdot y(t))}\]
Devemos dizer que os campos vetoriais não-lineares são aqueles que modelam os fenômenos complexos da natureza, ao contrário dos campos lineares, cujas aplicações diretas são restritas. Mas, em geral, não sabemos descrever exatamente as trajetórias dos campos não-lineares, enquanto que sim sabemos fazê-lo no caso dos lineares, como veremos nesta Seção.