Sr Examen
Ecuación diferencial y’’+4y’+20y=4cos(4x)-52sin(4x)
El profesor se sorprenderá mucho al ver tu solución correcta😉
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Solución
Ha introducido
[src]
2
d d
4*--(y(x)) + 20*y(x) + ---(y(x)) = -52*sin(4*x) + 4*cos(4*x)
dx 2
dx
$$20 y{\left(x \right)} + 4 \frac{d}{d x} y{\left(x \right)} + \frac{d^{2}}{d x^{2}} y{\left(x \right)} = - 52 \sin{\left(4 x \right)} + 4 \cos{\left(4 x \right)}$$
20*y + 4*y' + y'' = -52*sin(4*x) + 4*cos(4*x)
Solución detallada
Tenemos la ecuación:
$$20 y{\left(x \right)} + 4 \frac{d}{d x} y{\left(x \right)} + \frac{d^{2}}{d x^{2}} y{\left(x \right)} = - 52 \sin{\left(4 x \right)} + 4 \cos{\left(4 x \right)}$$
Esta ecuación diferencial tiene la forma:
donde
$$p = 4$$
$$q = 20$$
$$s = 52 \sin{\left(4 x \right)} - 4 \cos{\left(4 x \right)}$$
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:
$$k^{2} + 4 k + 20 = 0$$
Solución detallada de una ecuación simple
- es una ecuación cuadrática simple
Raíces de esta ecuación:
$$k_{1} = -2 - 4 i$$
$$k_{2} = -2 + 4 i$$
Como la ecuación característica tiene dos raíces,
la solución de la ecuación diferencial correspondiente tiene la forma:
$$y{\left(x \right)} = e^{k_{1} x} C_{1} + e^{k_{2} x} C_{2}$$
$$y{\left(x \right)} = C_{1} e^{x \left(-2 - 4 i\right)} + C_{2} e^{x \left(-2 + 4 i\right)}$$
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:
$$y{\left(x \right)} = \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} e^{x \left(-2 - 4 i\right)} + \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} e^{x \left(-2 + 4 i\right)}$$
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 - 4*i)) (C1=1, C2=0),
y2(x) = exp(x*(-2 + 4*i)) (C1=0, C2=1).
A es un término independiente f = - s, o
$$f{\left(x \right)} = - 52 \sin{\left(4 x \right)} + 4 \cos{\left(4 x \right)}$$
Es decir, el sistema tendrá la forma:
$$e^{x \left(-2 - 4 i\right)} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} + e^{x \left(-2 + 4 i\right)} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = 0$$
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} \frac{d}{d x} e^{x \left(-2 - 4 i\right)} + \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} \frac{d}{d x} e^{x \left(-2 + 4 i\right)} = - 52 \sin{\left(4 x \right)} + 4 \cos{\left(4 x \right)}$$
o
$$e^{x \left(-2 - 4 i\right)} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} + e^{x \left(-2 + 4 i\right)} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = 0$$
$$\left(-2 - 4 i\right) e^{x \left(-2 - 4 i\right)} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} + \left(-2 + 4 i\right) e^{x \left(-2 + 4 i\right)} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = - 52 \sin{\left(4 x \right)} + 4 \cos{\left(4 x \right)}$$
Resolvamos este sistema:
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = \frac{i \left(- 13 \sin{\left(4 x \right)} + \cos{\left(4 x \right)}\right) e^{2 x + 4 i x}}{2}$$
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = \frac{i \left(13 \sin{\left(4 x \right)} - \cos{\left(4 x \right)}\right) e^{2 x - 4 i x}}{2}$$
- son ecuaciones diferenciales simples, resolvámoslas
$$\operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = C_{3} + \int \frac{i \left(- 13 \sin{\left(4 x \right)} + \cos{\left(4 x \right)}\right) e^{2 x + 4 i x}}{2}\, dx$$
$$\operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = C_{4} + \int \frac{i \left(13 \sin{\left(4 x \right)} - \cos{\left(4 x \right)}\right) e^{2 x - 4 i x}}{2}\, dx$$
o
$$\operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = C_{3} + \frac{i \left(- \frac{115 e^{2 x} e^{4 i x} \sin{\left(4 x \right)}}{34} + \frac{9 i e^{2 x} e^{4 i x} \sin{\left(4 x \right)}}{17} + \frac{35 e^{2 x} e^{4 i x} \cos{\left(4 x \right)}}{34} - \frac{53 i e^{2 x} e^{4 i x} \cos{\left(4 x \right)}}{17}\right)}{2}$$
$$\operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = C_{4} + \frac{i \left(\frac{115 e^{2 x} e^{- 4 i x} \sin{\left(4 x \right)}}{34} + \frac{9 i e^{2 x} e^{- 4 i x} \sin{\left(4 x \right)}}{17} - \frac{35 e^{2 x} e^{- 4 i x} \cos{\left(4 x \right)}}{34} - \frac{53 i e^{2 x} e^{- 4 i x} \cos{\left(4 x \right)}}{17}\right)}{2}$$
Sustituyamos C1(x) y C2(x) hallados en
$$y{\left(x \right)} = \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} e^{x \left(-2 - 4 i\right)} + \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} e^{x \left(-2 + 4 i\right)}$$
Entonces la respuesta definitiva es:
$$y{\left(x \right)} = C_{3} e^{- 2 x} e^{- 4 i x} + C_{4} e^{- 2 x} e^{4 i x} - \frac{9 \sin{\left(4 x \right)}}{17} + \frac{53 \cos{\left(4 x \right)}}{17}$$
donde C3 y C4 hay son constantes
$$20 y{\left(x \right)} + 4 \frac{d}{d x} y{\left(x \right)} + \frac{d^{2}}{d x^{2}} y{\left(x \right)} = - 52 \sin{\left(4 x \right)} + 4 \cos{\left(4 x \right)}$$
Esta ecuación diferencial tiene la forma:
y'' + p*y' + q*y = s,
donde
$$p = 4$$
$$q = 20$$
$$s = 52 \sin{\left(4 x \right)} - 4 \cos{\left(4 x \right)}$$
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:
$$k^{2} + 4 k + 20 = 0$$
Solución detallada de una ecuación simple
- es una ecuación cuadrática simple
Raíces de esta ecuación:
$$k_{1} = -2 - 4 i$$
$$k_{2} = -2 + 4 i$$
Como la ecuación característica tiene dos raíces,
la solución de la ecuación diferencial correspondiente tiene la forma:
$$y{\left(x \right)} = e^{k_{1} x} C_{1} + e^{k_{2} x} C_{2}$$
$$y{\left(x \right)} = C_{1} e^{x \left(-2 - 4 i\right)} + C_{2} e^{x \left(-2 + 4 i\right)}$$
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:
$$y{\left(x \right)} = \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} e^{x \left(-2 - 4 i\right)} + \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} e^{x \left(-2 + 4 i\right)}$$
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 - 4*i)) (C1=1, C2=0),
y2(x) = exp(x*(-2 + 4*i)) (C1=0, C2=1).
A es un término independiente f = - s, o
$$f{\left(x \right)} = - 52 \sin{\left(4 x \right)} + 4 \cos{\left(4 x \right)}$$
Es decir, el sistema tendrá la forma:
$$e^{x \left(-2 - 4 i\right)} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} + e^{x \left(-2 + 4 i\right)} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = 0$$
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} \frac{d}{d x} e^{x \left(-2 - 4 i\right)} + \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} \frac{d}{d x} e^{x \left(-2 + 4 i\right)} = - 52 \sin{\left(4 x \right)} + 4 \cos{\left(4 x \right)}$$
o
$$e^{x \left(-2 - 4 i\right)} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} + e^{x \left(-2 + 4 i\right)} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = 0$$
$$\left(-2 - 4 i\right) e^{x \left(-2 - 4 i\right)} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} + \left(-2 + 4 i\right) e^{x \left(-2 + 4 i\right)} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = - 52 \sin{\left(4 x \right)} + 4 \cos{\left(4 x \right)}$$
Resolvamos este sistema:
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = \frac{i \left(- 13 \sin{\left(4 x \right)} + \cos{\left(4 x \right)}\right) e^{2 x + 4 i x}}{2}$$
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = \frac{i \left(13 \sin{\left(4 x \right)} - \cos{\left(4 x \right)}\right) e^{2 x - 4 i x}}{2}$$
- son ecuaciones diferenciales simples, resolvámoslas
$$\operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = C_{3} + \int \frac{i \left(- 13 \sin{\left(4 x \right)} + \cos{\left(4 x \right)}\right) e^{2 x + 4 i x}}{2}\, dx$$
$$\operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = C_{4} + \int \frac{i \left(13 \sin{\left(4 x \right)} - \cos{\left(4 x \right)}\right) e^{2 x - 4 i x}}{2}\, dx$$
o
$$\operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = C_{3} + \frac{i \left(- \frac{115 e^{2 x} e^{4 i x} \sin{\left(4 x \right)}}{34} + \frac{9 i e^{2 x} e^{4 i x} \sin{\left(4 x \right)}}{17} + \frac{35 e^{2 x} e^{4 i x} \cos{\left(4 x \right)}}{34} - \frac{53 i e^{2 x} e^{4 i x} \cos{\left(4 x \right)}}{17}\right)}{2}$$
$$\operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = C_{4} + \frac{i \left(\frac{115 e^{2 x} e^{- 4 i x} \sin{\left(4 x \right)}}{34} + \frac{9 i e^{2 x} e^{- 4 i x} \sin{\left(4 x \right)}}{17} - \frac{35 e^{2 x} e^{- 4 i x} \cos{\left(4 x \right)}}{34} - \frac{53 i e^{2 x} e^{- 4 i x} \cos{\left(4 x \right)}}{17}\right)}{2}$$
Sustituyamos C1(x) y C2(x) hallados en
$$y{\left(x \right)} = \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} e^{x \left(-2 - 4 i\right)} + \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} e^{x \left(-2 + 4 i\right)}$$
Entonces la respuesta definitiva es:
$$y{\left(x \right)} = C_{3} e^{- 2 x} e^{- 4 i x} + C_{4} e^{- 2 x} e^{4 i x} - \frac{9 \sin{\left(4 x \right)}}{17} + \frac{53 \cos{\left(4 x \right)}}{17}$$
donde C3 y C4 hay son constantes
Respuesta
[src]
9*sin(4*x) 53*cos(4*x) -2*x
y(x) = - ---------- + ----------- + (C1*sin(4*x) + C2*cos(4*x))*e
17 17
$$y{\left(x \right)} = \left(C_{1} \sin{\left(4 x \right)} + C_{2} \cos{\left(4 x \right)}\right) e^{- 2 x} - \frac{9 \sin{\left(4 x \right)}}{17} + \frac{53 \cos{\left(4 x \right)}}{17}$$
Clasificación
nth linear constant coeff undetermined coefficients
nth linear constant coeff variation of parameters
nth linear constant coeff variation of parameters Integral