Sr Examen
Ecuación diferencial y"+4y'+5y=-15x+5e^-x
El profesor se sorprenderá mucho al ver tu solución correcta😉
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Solución
Ha introducido
[src]
2
d d -x
4*--(y(x)) + 5*y(x) + ---(y(x)) = -15*x + 5*e
dx 2
dx
$$5 y{\left(x \right)} + 4 \frac{d}{d x} y{\left(x \right)} + \frac{d^{2}}{d x^{2}} y{\left(x \right)} = - 15 x + 5 e^{- x}$$
5*y + 4*y' + y'' = -15*x + 5*exp(-x)
Solución detallada
Tenemos la ecuación:
$$5 y{\left(x \right)} + 4 \frac{d}{d x} y{\left(x \right)} + \frac{d^{2}}{d x^{2}} y{\left(x \right)} = - 15 x + 5 e^{- x}$$
Esta ecuación diferencial tiene la forma:
donde
$$p = 4$$
$$q = 5$$
$$s = 15 x - 5 e^{- x}$$
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:
$$k^{2} + 4 k + 5 = 0$$
Solución detallada de una ecuación simple
- es una ecuación cuadrática simple
Raíces de esta ecuación:
$$k_{1} = -2 - i$$
$$k_{2} = -2 + i$$
Como la ecuación característica tiene dos raíces,
la solución de la ecuación diferencial correspondiente tiene la forma:
$$y{\left(x \right)} = e^{k_{1} x} C_{1} + e^{k_{2} x} C_{2}$$
$$y{\left(x \right)} = C_{1} e^{x \left(-2 - i\right)} + C_{2} e^{x \left(-2 + i\right)}$$
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:
$$y{\left(x \right)} = \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} e^{x \left(-2 - i\right)} + \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} e^{x \left(-2 + i\right)}$$
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 - i)) (C1=1, C2=0),
y2(x) = exp(x*(-2 + i)) (C1=0, C2=1).
A es un término independiente f = - s, o
$$f{\left(x \right)} = - 15 x + 5 e^{- x}$$
Es decir, el sistema tendrá la forma:
$$e^{x \left(-2 - i\right)} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} + e^{x \left(-2 + i\right)} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = 0$$
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} \frac{d}{d x} e^{x \left(-2 - i\right)} + \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} \frac{d}{d x} e^{x \left(-2 + i\right)} = - 15 x + 5 e^{- x}$$
o
$$e^{x \left(-2 - i\right)} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} + e^{x \left(-2 + i\right)} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = 0$$
$$\left(-2 - i\right) e^{x \left(-2 - i\right)} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} + \left(-2 + i\right) e^{x \left(-2 + i\right)} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = - 15 x + 5 e^{- x}$$
Resolvamos este sistema:
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = \frac{5 i \left(- 3 x e^{x} + 1\right) e^{x + i x}}{2}$$
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = \frac{5 i \left(3 x e^{x} - 1\right) e^{x - i x}}{2}$$
- son ecuaciones diferenciales simples, resolvámoslas
$$\operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = C_{3} + \int \frac{5 i \left(- 3 x e^{x} + 1\right) e^{x + i x}}{2}\, dx$$
$$\operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = C_{4} + \int \frac{5 i \left(3 x e^{x} - 1\right) e^{x - i x}}{2}\, dx$$
o
$$\operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = C_{3} + \frac{5 i \left(- \frac{6 x e^{2 x} e^{i x}}{5} + \frac{3 i x e^{2 x} e^{i x}}{5} + \frac{9 e^{2 x} e^{i x}}{25} - \frac{12 i e^{2 x} e^{i x}}{25} + \frac{e^{x} e^{i x}}{2} - \frac{i e^{x} e^{i x}}{2}\right)}{2}$$
$$\operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = C_{4} + \frac{5 i \left(\frac{6 x e^{2 x} e^{- i x}}{5} + \frac{3 i x e^{2 x} e^{- i x}}{5} - \frac{9 e^{2 x} e^{- i x}}{25} - \frac{12 i e^{2 x} e^{- i x}}{25} - \frac{e^{x} e^{- i x}}{2} - \frac{i e^{x} e^{- i x}}{2}\right)}{2}$$
Sustituyamos C1(x) y C2(x) hallados en
$$y{\left(x \right)} = \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} e^{x \left(-2 - i\right)} + \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} e^{x \left(-2 + i\right)}$$
Entonces la respuesta definitiva es:
$$y{\left(x \right)} = C_{3} e^{- 2 x} e^{- i x} + C_{4} e^{- 2 x} e^{i x} - 3 x + \frac{12}{5} + \frac{5 e^{- x}}{2}$$
donde C3 y C4 hay son constantes
$$5 y{\left(x \right)} + 4 \frac{d}{d x} y{\left(x \right)} + \frac{d^{2}}{d x^{2}} y{\left(x \right)} = - 15 x + 5 e^{- x}$$
Esta ecuación diferencial tiene la forma:
y'' + p*y' + q*y = s,
donde
$$p = 4$$
$$q = 5$$
$$s = 15 x - 5 e^{- x}$$
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:
$$k^{2} + 4 k + 5 = 0$$
Solución detallada de una ecuación simple
- es una ecuación cuadrática simple
Raíces de esta ecuación:
$$k_{1} = -2 - i$$
$$k_{2} = -2 + i$$
Como la ecuación característica tiene dos raíces,
la solución de la ecuación diferencial correspondiente tiene la forma:
$$y{\left(x \right)} = e^{k_{1} x} C_{1} + e^{k_{2} x} C_{2}$$
$$y{\left(x \right)} = C_{1} e^{x \left(-2 - i\right)} + C_{2} e^{x \left(-2 + i\right)}$$
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:
$$y{\left(x \right)} = \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} e^{x \left(-2 - i\right)} + \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} e^{x \left(-2 + i\right)}$$
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 - i)) (C1=1, C2=0),
y2(x) = exp(x*(-2 + i)) (C1=0, C2=1).
A es un término independiente f = - s, o
$$f{\left(x \right)} = - 15 x + 5 e^{- x}$$
Es decir, el sistema tendrá la forma:
$$e^{x \left(-2 - i\right)} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} + e^{x \left(-2 + i\right)} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = 0$$
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} \frac{d}{d x} e^{x \left(-2 - i\right)} + \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} \frac{d}{d x} e^{x \left(-2 + i\right)} = - 15 x + 5 e^{- x}$$
o
$$e^{x \left(-2 - i\right)} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} + e^{x \left(-2 + i\right)} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = 0$$
$$\left(-2 - i\right) e^{x \left(-2 - i\right)} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} + \left(-2 + i\right) e^{x \left(-2 + i\right)} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = - 15 x + 5 e^{- x}$$
Resolvamos este sistema:
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = \frac{5 i \left(- 3 x e^{x} + 1\right) e^{x + i x}}{2}$$
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = \frac{5 i \left(3 x e^{x} - 1\right) e^{x - i x}}{2}$$
- son ecuaciones diferenciales simples, resolvámoslas
$$\operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = C_{3} + \int \frac{5 i \left(- 3 x e^{x} + 1\right) e^{x + i x}}{2}\, dx$$
$$\operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = C_{4} + \int \frac{5 i \left(3 x e^{x} - 1\right) e^{x - i x}}{2}\, dx$$
o
$$\operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = C_{3} + \frac{5 i \left(- \frac{6 x e^{2 x} e^{i x}}{5} + \frac{3 i x e^{2 x} e^{i x}}{5} + \frac{9 e^{2 x} e^{i x}}{25} - \frac{12 i e^{2 x} e^{i x}}{25} + \frac{e^{x} e^{i x}}{2} - \frac{i e^{x} e^{i x}}{2}\right)}{2}$$
$$\operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = C_{4} + \frac{5 i \left(\frac{6 x e^{2 x} e^{- i x}}{5} + \frac{3 i x e^{2 x} e^{- i x}}{5} - \frac{9 e^{2 x} e^{- i x}}{25} - \frac{12 i e^{2 x} e^{- i x}}{25} - \frac{e^{x} e^{- i x}}{2} - \frac{i e^{x} e^{- i x}}{2}\right)}{2}$$
Sustituyamos C1(x) y C2(x) hallados en
$$y{\left(x \right)} = \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} e^{x \left(-2 - i\right)} + \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} e^{x \left(-2 + i\right)}$$
Entonces la respuesta definitiva es:
$$y{\left(x \right)} = C_{3} e^{- 2 x} e^{- i x} + C_{4} e^{- 2 x} e^{i x} - 3 x + \frac{12}{5} + \frac{5 e^{- x}}{2}$$
donde C3 y C4 hay son constantes
Respuesta
[src]
-x
12 5*e -2*x
y(x) = -- - 3*x + ----- + (C1*sin(x) + C2*cos(x))*e
5 2
$$y{\left(x \right)} = - 3 x + \left(C_{1} \sin{\left(x \right)} + C_{2} \cos{\left(x \right)}\right) e^{- 2 x} + \frac{12}{5} + \frac{5 e^{- x}}{2}$$
Clasificación
nth linear constant coeff undetermined coefficients
nth linear constant coeff variation of parameters
nth linear constant coeff variation of parameters Integral