Sr Examen
Ecuación diferencial 2y"+7y'+3y=222sin3x
El profesor se sorprenderá mucho al ver tu solución correcta😉
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Solución
Ha introducido
[src]
2
d d
2*---(y(x)) + 3*y(x) + 7*--(y(x)) = 222*sin(3*x)
2 dx
dx
$$3 y{\left(x \right)} + 7 \frac{d}{d x} y{\left(x \right)} + 2 \frac{d^{2}}{d x^{2}} y{\left(x \right)} = 222 \sin{\left(3 x \right)}$$
3*y + 7*y' + 2*y'' = 222*sin(3*x)
Solución detallada
Dividamos las dos partes de la ecuación al factor de la derivada de y'':
$$2$$
Recibimos la ecuación:
$$\frac{3 y{\left(x \right)}}{2} + \frac{7 \frac{d}{d x} y{\left(x \right)}}{2} + \frac{d^{2}}{d x^{2}} y{\left(x \right)} = 111 \sin{\left(3 x \right)}$$
Esta ecuación diferencial tiene la forma:
donde
$$p = \frac{7}{2}$$
$$q = \frac{3}{2}$$
$$s = - 111 \sin{\left(3 x \right)}$$
Se llama lineal heterogénea
ecuación diferencial de 2 orden con factores constantes.
No hay mucha dificultad en la resolución de esta ecuación
Primero resolvamos la ecuación lineal homogénea correspondiente
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:
$$k^{2} + \frac{7 k}{2} + \frac{3}{2} = 0$$
Solución detallada de una ecuación simple
- es una ecuación cuadrática simple
Raíces de esta ecuación:
$$k_{1} = -3$$
$$k_{2} = - \frac{1}{2}$$
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:
$$y{\left(x \right)} = C_{1} e^{k_{1} x} + C_{2} e^{k_{2} x}$$
$$y{\left(x \right)} = C_{1} e^{- 3 x} + C_{2} e^{- \frac{x}{2}}$$
Hemos encontrado la solución de la ecuación homogénea correspondiente
Ahora hay que resolver nuestra ecuación heterogénea
Usamos el método de variación de la constante arbitraria
Consideremos que C1 y C2 son funciones de x
Y la solución general será:
$$y{\left(x \right)} = \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} e^{- 3 x} + \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} e^{- \frac{x}{2}}$$
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(-3*x) (C1=1, C2=0),
y2(x) = exp(-x/2) (C1=0, C2=1).
A es un término independiente f = - s, o
$$f{\left(x \right)} = 111 \sin{\left(3 x \right)}$$
Es decir, el sistema tendrá la forma:
$$e^{- 3 x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} + e^{- \frac{x}{2}} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = 0$$
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} \frac{d}{d x} e^{- 3 x} + \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} \frac{d}{d x} e^{- \frac{x}{2}} = 111 \sin{\left(3 x \right)}$$
o
$$e^{- 3 x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} + e^{- \frac{x}{2}} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = 0$$
$$- 3 e^{- 3 x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} - \frac{e^{- \frac{x}{2}} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)}}{2} = 111 \sin{\left(3 x \right)}$$
Resolvamos este sistema:
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = - \frac{222 e^{3 x} \sin{\left(3 x \right)}}{5}$$
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = \frac{222 e^{\frac{x}{2}} \sin{\left(3 x \right)}}{5}$$
- son ecuaciones diferenciales simples, resolvámoslas
$$\operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = C_{3} + \int \left(- \frac{222 e^{3 x} \sin{\left(3 x \right)}}{5}\right)\, dx$$
$$\operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = C_{4} + \int \frac{222 e^{\frac{x}{2}} \sin{\left(3 x \right)}}{5}\, dx$$
o
$$\operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = C_{3} - \frac{37 e^{3 x} \sin{\left(3 x \right)}}{5} + \frac{37 e^{3 x} \cos{\left(3 x \right)}}{5}$$
$$\operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = C_{4} + \frac{12 e^{\frac{x}{2}} \sin{\left(3 x \right)}}{5} - \frac{72 e^{\frac{x}{2}} \cos{\left(3 x \right)}}{5}$$
Sustituyamos C1(x) y C2(x) hallados en
$$y{\left(x \right)} = \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} e^{- 3 x} + \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} e^{- \frac{x}{2}}$$
Entonces la respuesta definitiva es:
$$y{\left(x \right)} = C_{3} e^{- 3 x} + C_{4} e^{- \frac{x}{2}} - 5 \sin{\left(3 x \right)} - 7 \cos{\left(3 x \right)}$$
donde C3 y C4 hay son constantes
$$2$$
Recibimos la ecuación:
$$\frac{3 y{\left(x \right)}}{2} + \frac{7 \frac{d}{d x} y{\left(x \right)}}{2} + \frac{d^{2}}{d x^{2}} y{\left(x \right)} = 111 \sin{\left(3 x \right)}$$
Esta ecuación diferencial tiene la forma:
y'' + p*y' + q*y = s,
donde
$$p = \frac{7}{2}$$
$$q = \frac{3}{2}$$
$$s = - 111 \sin{\left(3 x \right)}$$
Se llama lineal heterogénea
ecuación 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:
$$k^{2} + \frac{7 k}{2} + \frac{3}{2} = 0$$
Solución detallada de una ecuación simple
- es una ecuación cuadrática simple
Raíces de esta ecuación:
$$k_{1} = -3$$
$$k_{2} = - \frac{1}{2}$$
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:
$$y{\left(x \right)} = C_{1} e^{k_{1} x} + C_{2} e^{k_{2} x}$$
$$y{\left(x \right)} = C_{1} e^{- 3 x} + C_{2} e^{- \frac{x}{2}}$$
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:
$$y{\left(x \right)} = \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} e^{- 3 x} + \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} e^{- \frac{x}{2}}$$
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(-3*x) (C1=1, C2=0),
y2(x) = exp(-x/2) (C1=0, C2=1).
A es un término independiente f = - s, o
$$f{\left(x \right)} = 111 \sin{\left(3 x \right)}$$
Es decir, el sistema tendrá la forma:
$$e^{- 3 x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} + e^{- \frac{x}{2}} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = 0$$
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} \frac{d}{d x} e^{- 3 x} + \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} \frac{d}{d x} e^{- \frac{x}{2}} = 111 \sin{\left(3 x \right)}$$
o
$$e^{- 3 x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} + e^{- \frac{x}{2}} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = 0$$
$$- 3 e^{- 3 x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} - \frac{e^{- \frac{x}{2}} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)}}{2} = 111 \sin{\left(3 x \right)}$$
Resolvamos este sistema:
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = - \frac{222 e^{3 x} \sin{\left(3 x \right)}}{5}$$
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = \frac{222 e^{\frac{x}{2}} \sin{\left(3 x \right)}}{5}$$
- son ecuaciones diferenciales simples, resolvámoslas
$$\operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = C_{3} + \int \left(- \frac{222 e^{3 x} \sin{\left(3 x \right)}}{5}\right)\, dx$$
$$\operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = C_{4} + \int \frac{222 e^{\frac{x}{2}} \sin{\left(3 x \right)}}{5}\, dx$$
o
$$\operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = C_{3} - \frac{37 e^{3 x} \sin{\left(3 x \right)}}{5} + \frac{37 e^{3 x} \cos{\left(3 x \right)}}{5}$$
$$\operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = C_{4} + \frac{12 e^{\frac{x}{2}} \sin{\left(3 x \right)}}{5} - \frac{72 e^{\frac{x}{2}} \cos{\left(3 x \right)}}{5}$$
Sustituyamos C1(x) y C2(x) hallados en
$$y{\left(x \right)} = \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} e^{- 3 x} + \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} e^{- \frac{x}{2}}$$
Entonces la respuesta definitiva es:
$$y{\left(x \right)} = C_{3} e^{- 3 x} + C_{4} e^{- \frac{x}{2}} - 5 \sin{\left(3 x \right)} - 7 \cos{\left(3 x \right)}$$
donde C3 y C4 hay son constantes
Respuesta
[src]
-x
---
-3*x 2
y(x) = -7*cos(3*x) - 5*sin(3*x) + C1*e + C2*e
$$y{\left(x \right)} = C_{1} e^{- 3 x} + C_{2} e^{- \frac{x}{2}} - 5 \sin{\left(3 x \right)} - 7 \cos{\left(3 x \right)}$$
Clasificación
nth linear constant coeff undetermined coefficients
nth linear constant coeff variation of parameters
nth linear constant coeff variation of parameters Integral