Sr Examen
Ecuación diferencial y''-8y'+12y=(5x+4)ex
El profesor se sorprenderá mucho al ver tu solución correcta😉
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Solución
Ha introducido
[src]
2
d d x
- 8*--(y(x)) + 12*y(x) + ---(y(x)) = (4 + 5*x)*e
dx 2
dx
$$12 y{\left(x \right)} - 8 \frac{d}{d x} y{\left(x \right)} + \frac{d^{2}}{d x^{2}} y{\left(x \right)} = \left(5 x + 4\right) e^{x}$$
12*y - 8*y' + y'' = (5*x + 4)*exp(x)
Solución detallada
Tenemos la ecuación:
$$12 y{\left(x \right)} - 8 \frac{d}{d x} y{\left(x \right)} + \frac{d^{2}}{d x^{2}} y{\left(x \right)} = \left(5 x + 4\right) e^{x}$$
Esta ecuación diferencial tiene la forma:
donde
$$p = -8$$
$$q = 12$$
$$s = - \left(5 x + 4\right) e^{x}$$
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:
$$k^{2} - 8 k + 12 = 0$$
Solución detallada de una ecuación simple
- es una ecuación cuadrática simple
Raíces de esta ecuación:
$$k_{1} = 2$$
$$k_{2} = 6$$
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:
$$y{\left(x \right)} = C_{1} e^{k_{1} x} + C_{2} e^{k_{2} x}$$
$$y{\left(x \right)} = C_{1} e^{2 x} + C_{2} e^{6 x}$$
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:
$$y{\left(x \right)} = \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} e^{2 x} + \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} e^{6 x}$$
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(2*x) (C1=1, C2=0),
y2(x) = exp(6*x) (C1=0, C2=1).
A es un término independiente f = - s, o
$$f{\left(x \right)} = \left(5 x + 4\right) e^{x}$$
Es decir, el sistema tendrá la forma:
$$e^{6 x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} + e^{2 x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = 0$$
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} \frac{d}{d x} e^{2 x} + \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} \frac{d}{d x} e^{6 x} = \left(5 x + 4\right) e^{x}$$
o
$$e^{6 x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} + e^{2 x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = 0$$
$$6 e^{6 x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} + 2 e^{2 x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = \left(5 x + 4\right) e^{x}$$
Resolvamos este sistema:
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = - \frac{\left(5 x + 4\right) e^{- x}}{4}$$
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = \frac{\left(5 x + 4\right) e^{- 5 x}}{4}$$
- son ecuaciones diferenciales simples, resolvámoslas
$$\operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = C_{3} + \int \left(- \frac{\left(5 x + 4\right) e^{- x}}{4}\right)\, dx$$
$$\operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = C_{4} + \int \frac{\left(5 x + 4\right) e^{- 5 x}}{4}\, dx$$
o
$$\operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = C_{3} + \frac{\left(5 x + 9\right) e^{- x}}{4}$$
$$\operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = C_{4} + \frac{\left(- x - 1\right) e^{- 5 x}}{4}$$
Sustituyamos C1(x) y C2(x) hallados en
$$y{\left(x \right)} = \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} e^{2 x} + \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} e^{6 x}$$
Entonces la respuesta definitiva es:
$$y{\left(x \right)} = C_{3} e^{2 x} + C_{4} e^{6 x} + x e^{x} + 2 e^{x}$$
donde C3 y C4 hay son constantes
$$12 y{\left(x \right)} - 8 \frac{d}{d x} y{\left(x \right)} + \frac{d^{2}}{d x^{2}} y{\left(x \right)} = \left(5 x + 4\right) e^{x}$$
Esta ecuación diferencial tiene la forma:
y'' + p*y' + q*y = s,
donde
$$p = -8$$
$$q = 12$$
$$s = - \left(5 x + 4\right) e^{x}$$
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:
$$k^{2} - 8 k + 12 = 0$$
Solución detallada de una ecuación simple
- es una ecuación cuadrática simple
Raíces de esta ecuación:
$$k_{1} = 2$$
$$k_{2} = 6$$
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:
$$y{\left(x \right)} = C_{1} e^{k_{1} x} + C_{2} e^{k_{2} x}$$
$$y{\left(x \right)} = C_{1} e^{2 x} + C_{2} e^{6 x}$$
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:
$$y{\left(x \right)} = \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} e^{2 x} + \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} e^{6 x}$$
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(2*x) (C1=1, C2=0),
y2(x) = exp(6*x) (C1=0, C2=1).
A es un término independiente f = - s, o
$$f{\left(x \right)} = \left(5 x + 4\right) e^{x}$$
Es decir, el sistema tendrá la forma:
$$e^{6 x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} + e^{2 x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = 0$$
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} \frac{d}{d x} e^{2 x} + \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} \frac{d}{d x} e^{6 x} = \left(5 x + 4\right) e^{x}$$
o
$$e^{6 x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} + e^{2 x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = 0$$
$$6 e^{6 x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} + 2 e^{2 x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = \left(5 x + 4\right) e^{x}$$
Resolvamos este sistema:
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = - \frac{\left(5 x + 4\right) e^{- x}}{4}$$
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = \frac{\left(5 x + 4\right) e^{- 5 x}}{4}$$
- son ecuaciones diferenciales simples, resolvámoslas
$$\operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = C_{3} + \int \left(- \frac{\left(5 x + 4\right) e^{- x}}{4}\right)\, dx$$
$$\operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = C_{4} + \int \frac{\left(5 x + 4\right) e^{- 5 x}}{4}\, dx$$
o
$$\operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = C_{3} + \frac{\left(5 x + 9\right) e^{- x}}{4}$$
$$\operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = C_{4} + \frac{\left(- x - 1\right) e^{- 5 x}}{4}$$
Sustituyamos C1(x) y C2(x) hallados en
$$y{\left(x \right)} = \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} e^{2 x} + \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} e^{6 x}$$
Entonces la respuesta definitiva es:
$$y{\left(x \right)} = C_{3} e^{2 x} + C_{4} e^{6 x} + x e^{x} + 2 e^{x}$$
donde C3 y C4 hay son constantes
Respuesta
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/ x 5*x\ x y(x) = \2 + x + C1*e + C2*e /*e
$$y{\left(x \right)} = \left(C_{1} e^{x} + C_{2} e^{5 x} + x + 2\right) e^{x}$$
Clasificación
nth linear constant coeff undetermined coefficients
nth linear constant coeff variation of parameters
nth linear constant coeff variation of parameters Integral