Tenemos la ecuación:
$$t + \frac{3 x{\left(t \right)}}{20} + \frac{d}{d t} x{\left(t \right)} = 4$$
Esta ecuación diferencial tiene la forma:
y' + P(x)y = Q(x)
donde
$$P{\left(t \right)} = \frac{3}{20}$$
y
$$Q{\left(t \right)} = 4 - t$$
y se llama
lineal homogéneaecuación diferencial de 1 orden:Primero resolvamos la ecuación lineal homogénea correspondiente
y' + P(x)y = 0
con variables separables
Esta ecuación se resuelve con los pasos siguientes:
De y' + P(x)y = 0 obtenemos
$$\frac{dy}{y} = - P{\left(x \right)} dx$$, con y no igual a 0
$$\int \frac{1}{y}\, dy = - \int P{\left(x \right)}\, dx$$
$$\log{\left(\left|{y}\right| \right)} = - \int P{\left(x \right)}\, dx$$
O,
$$\left|{y}\right| = e^{- \int P{\left(x \right)}\, dx}$$
Por eso,
$$y_{1} = e^{- \int P{\left(x \right)}\, dx}$$
$$y_{2} = - e^{- \int P{\left(x \right)}\, dx}$$
De la expresión se ve que hay que encontrar la integral:
$$\int P{\left(x \right)}\, dx$$
Como
$$P{\left(t \right)} = \frac{3}{20}$$, entonces
$$\int P{\left(x \right)}\, dx$$ =
= $$\int \frac{3}{20}\, dt = \frac{3 t}{20} + Const$$
Solución detallada de la integralEs decir, la solución de la ecuación lineal homogénea es:
$$y_{1} = e^{C_{1} - \frac{3 t}{20}}$$
$$y_{2} = - e^{C_{2} - \frac{3 t}{20}}$$
lo que corresponde a la solución
con cualquier constante C no igual a cero:
$$y = C e^{- \frac{3 t}{20}}$$
Hemos encontrado la solución de la ecuación homogénea correspondiente
Ahora hay que resolver nuestra ecuación heterogénea
y' + P(x)y = Q(x)
Usamos el método de variación de la constante arbitraria
Ahora consideremos que C es la función de x
$$y = C{\left(t \right)} e^{- \frac{3 t}{20}}$$
Y lo sustituimos en la ecuación inicial.
Usando las reglas
- de diferenciación del producto;
- de la derivada de una función compuesta,
hallamos que
$$\frac{d}{d x} C{\left(x \right)} = Q{\left(x \right)} e^{\int P{\left(x \right)}\, dx}$$
Sustituimos Q(x) y P(x) en esta ecuación.
Recibimos la ecuación diferencial más simple para C(x):
$$\frac{d}{d t} C{\left(t \right)} = \left(4 - t\right) e^{\frac{3 t}{20}}$$
Es decir, C(x) =
$$\int \left(4 - t\right) e^{\frac{3 t}{20}}\, dt = \frac{\left(640 - 60 t\right) e^{\frac{3 t}{20}}}{9} + Const$$
Solución detallada de la integralsustituimos C(x) en
$$y = C{\left(t \right)} e^{- \frac{3 t}{20}}$$
y recibimos la respuesta definitiva para y(x):
$$e^{- \frac{3 t}{20}} \left(\frac{\left(640 - 60 t\right) e^{\frac{3 t}{20}}}{9} + Const\right)$$