Enunciado

Nos problemas 25-28, resolva cada equação diferencial pelo método da variação dos parâmetros, sujeita à condição inicial y 0 = 1 ,   y ' 0 = 0 .

25. 4 y ' ' - y = x e x 2

Passo 1

Então pessoal, para resolvermos uma equação diferencial pelo método da variação dos parâmetros precisamos, assim como já estamos acostumados, encontrar duas soluções: a solução complementar e a solução particular. A solução complementar é encontrada da maneira que já conhecemos mesmo, encontrando as raízes da equação característica. Já para encontrarmos a solução particular devemos fazer o seguinte:

Uma vez que encontramos a solução complementar teremos que a função que acompanha c 1 é y 1 , a função que acompanha c 2 é y 2 e a função de x que fica na direita da nossa equação diferencial é f x . Identificado isso, precisamos resolver os determinantes Wronskianos abaixo:

W = y 1 y 2 y 1 ' y 2 '

W 1 = 0 y 2 f x y 2 '

W 2 = y 1 0 y 1 ' f x

Feito isso, depois precisamos integrar as seguintes funções:

u 1 ' = W 1 W   e   u 2 ' = W 2 W

Pois a nossa solução particular vai ter o seguinte formato:

y p = u 1 y 1 + u 2 y 2

Pareceu difícil, galera? Então bora descomplicar isso aí! Praticando alguns exercícios tenho certeza que a ideia vai ficar muuuito mais clara! Chega mais!

Passo 2

Assim como comentamos no passo anterior, a primeira coisa a se fazer é encontrar y c , certo? Show! Nossa equação é:

4 y ' ' - y = x e x 2

Reescrevendo-a no formato padrão:

y ' ' - 1 4 y = 1 4 x e x 2

Fazendo as substituições y ' ' = m 2 ,   y ' = m   e   y = 1 , teremos:

m 2 - 1 4 = 0

E então encontramos que:

m 1 = 1 2

m 2 = - 1 2

Como as raízes são reais e distintas então teremos a seguinte solução complementar, galera:

y c = c 1 e m 1 x + c 2 e m 2 x

y c = c 1 e x 2 + c 2 e - x 2

Que nos diz o seguinte:

y 1 = e x 2

y 2 = e - x 2

Topzeeera! Primeira etapa concluída!

Passo 3

Além das funções que identificamos no passo anterior, tendo em vista a equação diferencial que nos foi dada, tiramos que:

f x = x e x 2

Então agora precisamos resolver os determinantes! Se liga:

W = y 1 y 2 y 1 ' y 2 ' = e x 2 e - x 2 1 2 e x 2 - 1 2 e - x 2 = - 1

W 1 = 0 y 2 f x y 2 ' = 0 e - x 2 1 4 x e x 2 - 1 2 e - x 2 = - x 4

W 2 = y 1 0 y 1 ' f x = e x 2 0 1 2 e x 2 1 4 x e x 2 = x e x 4

Agora que determinamos os determinantes, temos que os parâmetros variáveis serão:

u 1 ' = W 1 W = x 4

u 2 ' = W 2 W = - x e x 4

Show! Agora só falta integramos isso aí para encontrarmos u 1   e   u 2 !

Passo 4

Integrando u 1 ' , teremos:

u 1 = ∫ - x 4 d x = x 2 8

Agora integrando u 2 ' , teremos:

u 2 = ∫ - x e x 4 d x = - x e x 4 + e x 4

Logo, tiramos que nossa solução particular será:

y p = u 1 y 1 + u 2 y 2

y p = x 2 8 . e x 2 + - x e x 4 + e x 4 . e - x 2

Sendo assim, concluímos que nossa solução geral é a seguinte:

y = y c + y p

y = c 1 e x 2 + c 2 e - x 2 + x 2 8 . e x 2 + - x e x 4 + e x 4 . e - x 2

Show! No entanto o enunciado quer que encontremos c 1 e c 2 , e para isso nos deu as condições iniciais:

y 0 = 1 ,   y ' 0 = 0

Aplicando as condições, teremos:

c 1 = 3 4

c 2 = 1 4

Então nossa solução geral para as condições iniciais dadas será:

y = 3 4 e x 2 + 1 4 e - x 2 + x 2 8 . e x 2 + - x e x 4 + e x 4 . e - x 2

E é isso, gente!

Resposta

y = 3 4 e x 2 + 1 4 e - x 2 + x 2 8 . e x 2 + - x e x 4 + e x 4 . e - x 2

Ver Outros Exercícios desse livro

Exercícios de Livros Relacionados

Nos problemas 1-24, resolva cada equação diferencial pelo método da variação dos parâmetros. Defina um intervalo no qual a solução geral seja válida.6. y ' ' + y = s e c 2 x
Nos problemas 1-24, resolva cada equação diferencial pelo método da variação dos parâmetros. Defina um intervalo no qual a solução geral seja válida.4. y ' ' + y = sec ⁡ x tan ⁡ x
Nos problemas 1-24, resolva cada equação diferencial pelo método da variação dos parâmetros. Defina um intervalo no qual a solução geral seja válida.1. y ' ' + y = sec ⁡ x
Nos problemas 1-24, resolva cada equação diferencial pelo método da variação dos parâmetros. Defina um intervalo no qual a solução geral seja válida.5. y ' ' + y = c o s 2 x
Nos problemas 1-24, resolva cada equação diferencial pelo método da variação dos parâmetros. Defina um intervalo no qual a solução geral seja válida.2. y ' ' + y = tan ⁡ x