Tenemos la ecuación:
$$2 y{\left(x \right)} - 4 \frac{d}{d x} y{\left(x \right)} + \frac{d^{2}}{d x^{2}} y{\left(x \right)} = 5 e^{x}$$
Esta ecuación diferencial tiene la forma:
y'' + p*y' + q*y = s,
donde
$$p = -4$$
$$q = 2$$
$$s = - 5 e^{x}$$
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:
$$k^{2} - 4 k + 2 = 0$$
Solución detallada de una ecuación simple- es una ecuación cuadrática simple
Raíces de esta ecuación:
$$k_{1} = 2 - \sqrt{2}$$
$$k_{2} = \sqrt{2} + 2$$
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:
$$y{\left(x \right)} = C_{1} e^{k_{1} x} + C_{2} e^{k_{2} x}$$
$$y{\left(x \right)} = C_{1} e^{x \left(2 - \sqrt{2}\right)} + C_{2} e^{x \left(\sqrt{2} + 2\right)}$$
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:
$$y{\left(x \right)} = \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} e^{x \left(2 - \sqrt{2}\right)} + \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} e^{x \left(\sqrt{2} + 2\right)}$$
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*(2 - sqrt(2))) (C1=1, C2=0),
y2(x) = exp(x*(sqrt(2) + 2)) (C1=0, C2=1).
A es un término independiente f = - s, o
$$f{\left(x \right)} = 5 e^{x}$$
Es decir, el sistema tendrá la forma:
$$e^{x \left(2 - \sqrt{2}\right)} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} + e^{x \left(\sqrt{2} + 2\right)} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = 0$$
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} \frac{d}{d x} e^{x \left(2 - \sqrt{2}\right)} + \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} \frac{d}{d x} e^{x \left(\sqrt{2} + 2\right)} = 5 e^{x}$$
o
$$e^{x \left(2 - \sqrt{2}\right)} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} + e^{x \left(\sqrt{2} + 2\right)} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = 0$$
$$\left(2 - \sqrt{2}\right) e^{x \left(2 - \sqrt{2}\right)} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} + \left(\sqrt{2} + 2\right) e^{x \left(\sqrt{2} + 2\right)} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = 5 e^{x}$$
Resolvamos este sistema:
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = - \frac{5 \sqrt{2} e^{- x + \sqrt{2} x}}{4}$$
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = \frac{5 \sqrt{2} e^{- x \left(1 + \sqrt{2}\right)}}{4}$$
- son ecuaciones diferenciales simples, resolvámoslas
$$\operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = C_{3} + \int \left(- \frac{5 \sqrt{2} e^{- x + \sqrt{2} x}}{4}\right)\, dx$$
$$\operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = C_{4} + \int \frac{5 \sqrt{2} e^{- x \left(1 + \sqrt{2}\right)}}{4}\, dx$$
o
$$\operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = C_{3} + \frac{5 \sqrt{2} e^{- x + \sqrt{2} x}}{4 - 4 \sqrt{2}}$$
$$\operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = C_{4} - \frac{5 \sqrt{2} e^{- x \left(1 + \sqrt{2}\right)}}{4 + 4 \sqrt{2}}$$
Sustituyamos C1(x) y C2(x) hallados en
$$y{\left(x \right)} = \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} e^{x \left(2 - \sqrt{2}\right)} + \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} e^{x \left(\sqrt{2} + 2\right)}$$
Entonces la respuesta definitiva es:
$$y{\left(x \right)} = C_{3} e^{2 x} e^{- \sqrt{2} x} + C_{4} e^{2 x} e^{\sqrt{2} x} + \frac{5 \sqrt{2} e^{x}}{4 - 4 \sqrt{2}} - \frac{5 \sqrt{2} e^{x}}{4 + 4 \sqrt{2}}$$
donde C3 y C4 hay son constantes