Voltaje Dispositivo 419808
1. Planteamos el problema: Se nos da la tasa de voltaje $A(t) = - \frac{6t^2 + 9t - 3}{(t^2 + 2t + 3)(t - 1)}$ milivoltios/minuto y el voltaje inicial $V(0) = 10.98$ milivoltios.
2. La función $A(t)$ representa la derivada del voltaje respecto al tiempo, es decir, $A(t) = \frac{dV}{dt}$.
3. Para encontrar el voltaje $V(t)$, debemos integrar $A(t)$ con respecto a $t$:
$$V(t) = \int A(t) \, dt + C$$
4. Primero, simplificamos la expresión de $A(t)$ para facilitar la integración. Factorizamos el numerador:
$$6t^2 + 9t - 3 = 3(2t^2 + 3t - 1)$$
5. Factorizamos el denominador:
$$t^2 + 2t + 3$$ no se factoriza fácilmente (discriminante $= 4 - 12 = -8 < 0$), por lo que queda así.
6. Por lo tanto,
$$A(t) = - \frac{3(2t^2 + 3t - 1)}{(t^2 + 2t + 3)(t - 1)}$$
7. Usamos fracciones parciales para descomponer:
$$- \frac{3(2t^2 + 3t - 1)}{(t^2 + 2t + 3)(t - 1)} = \frac{A}{t - 1} + \frac{Bt + C}{t^2 + 2t + 3}$$
8. Multiplicamos ambos lados por el denominador común:
$$-3(2t^2 + 3t - 1) = A(t^2 + 2t + 3) + (Bt + C)(t - 1)$$
9. Expandimos y agrupamos términos:
$$-6t^2 - 9t + 3 = A t^2 + 2A t + 3A + B t^2 - B t + C t - C$$
$$-6t^2 - 9t + 3 = (A + B) t^2 + (2A - B + C) t + (3A - C)$$
10. Igualamos coeficientes:
$$\begin{cases}
A + B = -6 \\
2A - B + C = -9 \\
3A - C = 3
\end{cases}$$
11. De la tercera ecuación: $C = 3A - 3$.
12. Sustituimos $C$ en la segunda:
$$2A - B + (3A - 3) = -9 \Rightarrow 5A - B = -6$$
13. Tenemos el sistema:
$$\begin{cases}
A + B = -6 \\
5A - B = -6
\end{cases}$$
14. Sumamos ambas ecuaciones:
$$(A + B) + (5A - B) = -6 + (-6) \Rightarrow 6A = -12 \Rightarrow A = -2$$
15. Sustituimos $A$ en $A + B = -6$:
$$-2 + B = -6 \Rightarrow B = -4$$
16. Calculamos $C$:
$$C = 3(-2) - 3 = -6 - 3 = -9$$
17. Por lo tanto,
$$A(t) = \frac{-2}{t - 1} + \frac{-4t - 9}{t^2 + 2t + 3}$$
18. Integramos cada término:
$$V(t) = \int A(t) dt + C = \int \frac{-2}{t - 1} dt + \int \frac{-4t - 9}{t^2 + 2t + 3} dt + C$$
19. La primera integral:
$$\int \frac{-2}{t - 1} dt = -2 \ln|t - 1|$$
20. Para la segunda integral, completamos el cuadrado en el denominador:
$$t^2 + 2t + 3 = (t + 1)^2 + 2$$
21. Reescribimos el numerador:
$$-4t - 9 = -4(t + 1) - 5$$
22. Entonces,
$$\int \frac{-4t - 9}{t^2 + 2t + 3} dt = \int \frac{-4(t + 1) - 5}{(t + 1)^2 + 2} dt = -4 \int \frac{t + 1}{(t + 1)^2 + 2} dt - 5 \int \frac{1}{(t + 1)^2 + 2} dt$$
23. La primera integral es:
$$-4 \cdot \frac{1}{2} \ln((t + 1)^2 + 2) = -2 \ln((t + 1)^2 + 2)$$
24. La segunda integral es:
$$-5 \cdot \frac{1}{\sqrt{2}} \arctan \left( \frac{t + 1}{\sqrt{2}} \right) = - \frac{5}{\sqrt{2}} \arctan \left( \frac{t + 1}{\sqrt{2}} \right)$$
25. Sumamos todas las partes:
$$V(t) = -2 \ln|t - 1| - 2 \ln((t + 1)^2 + 2) - \frac{5}{\sqrt{2}} \arctan \left( \frac{t + 1}{\sqrt{2}} \right) + C$$
26. Usamos la condición inicial $V(0) = 10.98$ para encontrar $C$:
$$10.98 = -2 \ln|0 - 1| - 2 \ln(1^2 + 2) - \frac{5}{\sqrt{2}} \arctan \left( \frac{1}{\sqrt{2}} \right) + C$$
$$10.98 = -2 \ln 1 - 2 \ln 3 - \frac{5}{\sqrt{2}} \arctan \left( \frac{1}{\sqrt{2}} \right) + C$$
$$10.98 = 0 - 2 \ln 3 - \frac{5}{\sqrt{2}} \arctan \left( \frac{1}{\sqrt{2}} \right) + C$$
27. Calculamos valores numéricos aproximados:
$$\ln 3 \approx 1.0986$$
$$\arctan \left( \frac{1}{\sqrt{2}} \right) \approx 0.6155$$
$$- 2 \ln 3 \approx -2.1972$$
$$- \frac{5}{\sqrt{2}} \times 0.6155 \approx -2.174$$
28. Entonces,
$$10.98 = -2.1972 - 2.174 + C = -4.3712 + C$$
$$C = 10.98 + 4.3712 = 15.3512$$
29. Finalmente, la función voltaje es:
$$V(t) = -2 \ln|t - 1| - 2 \ln((t + 1)^2 + 2) - \frac{5}{\sqrt{2}} \arctan \left( \frac{t + 1}{\sqrt{2}} \right) + 15.3512$$