Sr Examen
Ecuación diferencial y''+2*y'-3*y=36*e^(3x)-30*cos(3x)
El profesor se sorprenderá mucho al ver tu solución correcta😉
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Solución
Ha introducido
[src]
2
d d 3*x
-3*y(x) + 2*--(y(x)) + ---(y(x)) = -30*cos(3*x) + 36*e
dx 2
dx
$$- 3 y{\left(x \right)} + 2 \frac{d}{d x} y{\left(x \right)} + \frac{d^{2}}{d x^{2}} y{\left(x \right)} = 36 e^{3 x} - 30 \cos{\left(3 x \right)}$$
-3*y + 2*y' + y'' = 36*exp(3*x) - 30*cos(3*x)
Solución detallada
Tenemos la ecuación:
$$- 3 y{\left(x \right)} + 2 \frac{d}{d x} y{\left(x \right)} + \frac{d^{2}}{d x^{2}} y{\left(x \right)} = 36 e^{3 x} - 30 \cos{\left(3 x \right)}$$
Esta ecuación diferencial tiene la forma:
donde
$$p = 2$$
$$q = -3$$
$$s = - 36 e^{3 x} + 30 \cos{\left(3 x \right)}$$
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:
$$k^{2} + 2 k - 3 = 0$$
Solución detallada de una ecuación simple
- es una ecuación cuadrática simple
Raíces de esta ecuación:
$$k_{1} = -3$$
$$k_{2} = 1$$
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:
$$y{\left(x \right)} = C_{1} e^{k_{1} x} + C_{2} e^{k_{2} x}$$
$$y{\left(x \right)} = C_{1} e^{- 3 x} + C_{2} e^{x}$$
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:
$$y{\left(x \right)} = \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} e^{- 3 x} + \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} e^{x}$$
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(-3*x) (C1=1, C2=0),
y2(x) = exp(x) (C1=0, C2=1).
A es un término independiente f = - s, o
$$f{\left(x \right)} = 36 e^{3 x} - 30 \cos{\left(3 x \right)}$$
Es decir, el sistema tendrá la forma:
$$e^{x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} + e^{- 3 x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = 0$$
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} \frac{d}{d x} e^{- 3 x} + \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} \frac{d}{d x} e^{x} = 36 e^{3 x} - 30 \cos{\left(3 x \right)}$$
o
$$e^{x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} + e^{- 3 x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = 0$$
$$e^{x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} - 3 e^{- 3 x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = 36 e^{3 x} - 30 \cos{\left(3 x \right)}$$
Resolvamos este sistema:
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = \left(- 9 e^{3 x} + \frac{15 \cos{\left(3 x \right)}}{2}\right) e^{3 x}$$
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = \frac{3 \left(6 e^{3 x} - 5 \cos{\left(3 x \right)}\right) e^{- x}}{2}$$
- son ecuaciones diferenciales simples, resolvámoslas
$$\operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = C_{3} + \int \left(- 9 e^{3 x} + \frac{15 \cos{\left(3 x \right)}}{2}\right) e^{3 x}\, dx$$
$$\operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = C_{4} + \int \frac{3 \left(6 e^{3 x} - 5 \cos{\left(3 x \right)}\right) e^{- x}}{2}\, dx$$
o
$$\operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = C_{3} - \frac{3 e^{6 x}}{2} + \frac{5 e^{3 x} \sin{\left(3 x \right)}}{4} + \frac{5 e^{3 x} \cos{\left(3 x \right)}}{4}$$
$$\operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = C_{4} + \frac{9 e^{2 x}}{2} - \frac{9 e^{- x} \sin{\left(3 x \right)}}{4} + \frac{3 e^{- x} \cos{\left(3 x \right)}}{4}$$
Sustituyamos C1(x) y C2(x) hallados en
$$y{\left(x \right)} = \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} e^{- 3 x} + \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} e^{x}$$
Entonces la respuesta definitiva es:
$$y{\left(x \right)} = C_{3} e^{- 3 x} + C_{4} e^{x} + 3 e^{3 x} - \sin{\left(3 x \right)} + 2 \cos{\left(3 x \right)}$$
donde C3 y C4 hay son constantes
$$- 3 y{\left(x \right)} + 2 \frac{d}{d x} y{\left(x \right)} + \frac{d^{2}}{d x^{2}} y{\left(x \right)} = 36 e^{3 x} - 30 \cos{\left(3 x \right)}$$
Esta ecuación diferencial tiene la forma:
y'' + p*y' + q*y = s,
donde
$$p = 2$$
$$q = -3$$
$$s = - 36 e^{3 x} + 30 \cos{\left(3 x \right)}$$
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:
$$k^{2} + 2 k - 3 = 0$$
Solución detallada de una ecuación simple
- es una ecuación cuadrática simple
Raíces de esta ecuación:
$$k_{1} = -3$$
$$k_{2} = 1$$
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:
$$y{\left(x \right)} = C_{1} e^{k_{1} x} + C_{2} e^{k_{2} x}$$
$$y{\left(x \right)} = C_{1} e^{- 3 x} + C_{2} e^{x}$$
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:
$$y{\left(x \right)} = \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} e^{- 3 x} + \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} e^{x}$$
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(-3*x) (C1=1, C2=0),
y2(x) = exp(x) (C1=0, C2=1).
A es un término independiente f = - s, o
$$f{\left(x \right)} = 36 e^{3 x} - 30 \cos{\left(3 x \right)}$$
Es decir, el sistema tendrá la forma:
$$e^{x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} + e^{- 3 x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = 0$$
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} \frac{d}{d x} e^{- 3 x} + \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} \frac{d}{d x} e^{x} = 36 e^{3 x} - 30 \cos{\left(3 x \right)}$$
o
$$e^{x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} + e^{- 3 x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = 0$$
$$e^{x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} - 3 e^{- 3 x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = 36 e^{3 x} - 30 \cos{\left(3 x \right)}$$
Resolvamos este sistema:
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = \left(- 9 e^{3 x} + \frac{15 \cos{\left(3 x \right)}}{2}\right) e^{3 x}$$
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = \frac{3 \left(6 e^{3 x} - 5 \cos{\left(3 x \right)}\right) e^{- x}}{2}$$
- son ecuaciones diferenciales simples, resolvámoslas
$$\operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = C_{3} + \int \left(- 9 e^{3 x} + \frac{15 \cos{\left(3 x \right)}}{2}\right) e^{3 x}\, dx$$
$$\operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = C_{4} + \int \frac{3 \left(6 e^{3 x} - 5 \cos{\left(3 x \right)}\right) e^{- x}}{2}\, dx$$
o
$$\operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = C_{3} - \frac{3 e^{6 x}}{2} + \frac{5 e^{3 x} \sin{\left(3 x \right)}}{4} + \frac{5 e^{3 x} \cos{\left(3 x \right)}}{4}$$
$$\operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = C_{4} + \frac{9 e^{2 x}}{2} - \frac{9 e^{- x} \sin{\left(3 x \right)}}{4} + \frac{3 e^{- x} \cos{\left(3 x \right)}}{4}$$
Sustituyamos C1(x) y C2(x) hallados en
$$y{\left(x \right)} = \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} e^{- 3 x} + \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} e^{x}$$
Entonces la respuesta definitiva es:
$$y{\left(x \right)} = C_{3} e^{- 3 x} + C_{4} e^{x} + 3 e^{3 x} - \sin{\left(3 x \right)} + 2 \cos{\left(3 x \right)}$$
donde C3 y C4 hay son constantes
Respuesta
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3*x -3*x x y(x) = -sin(3*x) + 2*cos(3*x) + 3*e + C1*e + C2*e
$$y{\left(x \right)} = C_{1} e^{- 3 x} + C_{2} e^{x} + 3 e^{3 x} - \sin{\left(3 x \right)} + 2 \cos{\left(3 x \right)}$$
Clasificación
nth linear constant coeff undetermined coefficients
nth linear constant coeff variation of parameters
nth linear constant coeff variation of parameters Integral