Tenemos la ecuación:
$$- 5 y{\left(x \right)} - 4 \frac{d}{d x} y{\left(x \right)} + \frac{d^{2}}{d x^{2}} y{\left(x \right)} = - 10 x - 18 e^{x} + 2$$
Esta ecuación diferencial tiene la forma:
y'' + p*y' + q*y = s,
donde
$$p = -4$$
$$q = -5$$
$$s = 10 x + 18 e^{x} - 2$$
Se llama
lineal heterogéneaecuación diferencial de 2 orden con factores constantes.
No hay mucha dificultad en la resolución de esta ecuación
Primero resolvamos la ecuación lineal homogénea correspondiente
y'' + p*y' + q*y = 0
Primero hallemos las raíces de la ecuación característica
$$q + \left(k^{2} + k p\right) = 0$$
En nuestro caso la ecuación característica va a tener la forma:
$$k^{2} - 4 k - 5 = 0$$
Solución detallada de una ecuación simple- es una ecuación cuadrática simple
Raíces de esta ecuación:
$$k_{1} = -1$$
$$k_{2} = 5$$
Como la ecuación característica tiene dos raíces,
y las raíces no tienen una forma compleja, entonces
la solución de la ecuación diferencial correspondiente tiene la forma:
$$y{\left(x \right)} = C_{1} e^{k_{1} x} + C_{2} e^{k_{2} x}$$
$$y{\left(x \right)} = C_{1} e^{- x} + C_{2} e^{5 x}$$
Hemos encontrado la solución de la ecuación homogénea correspondiente
Ahora hay que resolver nuestra ecuación heterogénea
y'' + p*y' + q*y = s
Usamos el método de variación de la constante arbitraria
Consideremos que C1 y C2 son funciones de x
Y la solución general será:
$$y{\left(x \right)} = \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} e^{- x} + \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} e^{5 x}$$
donde C1(x) y C2(x)
según el método de variación de constantes hallemos del sistema:
$$\operatorname{y_{1}}{\left(x \right)} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} + \operatorname{y_{2}}{\left(x \right)} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = 0$$
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} \frac{d}{d x} \operatorname{y_{1}}{\left(x \right)} + \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} \frac{d}{d x} \operatorname{y_{2}}{\left(x \right)} = f{\left(x \right)}$$
donde
y1(x) y y2(x) son soluciones parciales linealmente independientes de la ecuación diferencial lineal homogénea,
y1(x) = exp(-x) (C1=1, C2=0),
y2(x) = exp(5*x) (C1=0, C2=1).
A es un término independiente f = - s, o
$$f{\left(x \right)} = - 10 x - 18 e^{x} + 2$$
Es decir, el sistema tendrá la forma:
$$e^{5 x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} + e^{- x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = 0$$
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} \frac{d}{d x} e^{- x} + \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} \frac{d}{d x} e^{5 x} = - 10 x - 18 e^{x} + 2$$
o
$$e^{5 x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} + e^{- x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = 0$$
$$5 e^{5 x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} - e^{- x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = - 10 x - 18 e^{x} + 2$$
Resolvamos este sistema:
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = \frac{\left(5 x + 9 e^{x} - 1\right) e^{x}}{3}$$
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = \frac{\left(- 5 x - 9 e^{x} + 1\right) e^{- 5 x}}{3}$$
- son ecuaciones diferenciales simples, resolvámoslas
$$\operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = C_{3} + \int \frac{\left(5 x + 9 e^{x} - 1\right) e^{x}}{3}\, dx$$
$$\operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = C_{4} + \int \frac{\left(- 5 x - 9 e^{x} + 1\right) e^{- 5 x}}{3}\, dx$$
o
$$\operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = C_{3} + \frac{\left(10 x - 12\right) e^{x}}{6} + \frac{3 e^{2 x}}{2}$$
$$\operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = C_{4} + \frac{x e^{- 5 x}}{3} + \frac{3 e^{- 4 x}}{4}$$
Sustituyamos C1(x) y C2(x) hallados en
$$y{\left(x \right)} = \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} e^{- x} + \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} e^{5 x}$$
Entonces la respuesta definitiva es:
$$y{\left(x \right)} = C_{3} e^{- x} + C_{4} e^{5 x} + 2 x + \frac{9 e^{x}}{4} - 2$$
donde C3 y C4 hay son constantes