Determine a solução que satisfaz as condições iniciais dadas.

(e) x ¨ + 4 x = cos ⁡ 2 t ,   x 0 = x ˙ 0 = 0

Passo 1

Primeiro, note que temos uma EDL de 2º grau e não-homogênea pois g t = cos ⁡ 2 t ≠ 0 .

Então podemos obter a solução geral da seguinte forma:

x t = x h t + x p ( t )

Onde x h é a etapa homogênea da solução, podendo ser obtida a partir das equações auxiliares; e x p é a solução particular.

Passo 2

Então, considere a seguinte equação auxiliar:

m 2 + 4 = 0

Obtemos duas raízes complexas:

Obs: lembrando que as raízes complexas possuem um formato do tipo: m = a ± b i .

m 1 = 0 + 2 i     e     m 2 = 0 - 2 i

Onde a = 0   e   b = 2

Teremos então a seguinte solução homogênea:

x h t = e a t C 1 cos ⁡ b t + C 2 sin ⁡ b t

x h t = C 1 cos ⁡ 2 t + C 2 sin ⁡ 2 t

Passo 3

Agora, sabendo que g t = cos ⁡ 2 t é uma funç��o trigonométrica, então a EDL admite uma solução do tipo:

x p t = A cos ⁡ 2 t + B sin ⁡ 2 t

Mas repare que essa resposta já existe na solução homogênea, portanto devemos multiplicar t   em ambos os termos da solução particular:

x p t = A t cos ⁡ 2 t + B t sin ⁡ 2 t

De onde podemos obter:

x p ' t = A + 2 B t cos ⁡ 2 t + B - 2 A t sin ⁡ 2 t

x p ' ' t = 4 B - 4 A t cos ⁡ 2 t - 4 A + 4 B t sin ⁡ 2 t

Substituindo na equação original, encontramos:

4 B - 4 A t cos ⁡ 2 t - 4 A + 4 B t sin ⁡ 2 t ⏟ x ¨ + 4 A t cos ⁡ 2 t + B t sin ⁡ 2 t ⏟ x = cos ⁡ 2 t

4 B cos ⁡ 2 t - 4 A sin ⁡ 2 t = cos ⁡ 2 t

Podemos estabelecer a seguinte relação:

4 B = 1 → B = 1 4

- 4 A = 0 → A = 0

E então temos a seguinte solução particular:

x p t = t 4 sin ⁡ 2 t

Portanto a solução geral será:

x t = C 1 cos ⁡ 2 t + C 2 sin ⁡ 2 t + t 4 sin ⁡ 2 t

E

x ˙ t = - 2 C 1 sin ⁡ 2 t + 2 C 2 cos ⁡ 2 t + sin ⁡ 2 t 4 + t 2 cos ⁡ 2 t

Resposta

Aplicando as condições iniciais, encontramos:

C 1 = 0     e     C 2 = 0

Então a solução da EDL será:

x t = t 4 sin ⁡ 2 t

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