Exercícios Resolvidos de EDOs Não-Homogêneas (Exponencias e Trigonométricas)

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Enunciado

Sabendo-se que y 1 = x   ,     y 2 = x ln ⁡ x formam um conjunto fundamental de soluções para x 2 y " - x y ' + y = 0 em ( 0 ,   ∞ ) , encontre a solução geral para:

x 2 y " - x y ' + y =   4 x l n ( x )

Passo 1

Vamos relembrar o passo a passo do método da variação dos parâmetros:

  1. Arruma a EDO para ficar com a cara: y ' ' x + p y ' x + q y x = B ( x )
  2. Resolver a EDO como se fosse homogênea – solução homogênea: y h x ,caso o problema não forneça a solução da homogênea.
  3. Identificar y 1 ( x ) e y 2 ( x )
  4. Encontrar a cara da solução particular y p x = y 1 x . f 1 x + y 2 x . f 2 ( x )
  5. Calcular y 1 ' x e y 2 ' x
  6. Calcular M = y 1 ' y 2 ' y 1 y 2 = y 1 ' x . y 2 x - y 2 ' x y 1 x
  7. Calcule
  8. f 1 x = ∫ y 2 x . B x M d x

    f 2 x = ∫ - y 1 x . B x M d x

  9. Encontrar solução geral: y x = y h x + y p x
  10. Substituir condições iniciais caso exista

Não fica preocupado que a gente vai passar por todos esses passos na nossa questão!

Passo 2

Vamos começar com o primeiro!

Colocando a equação na forma: y ' ' x + p y ' x + q y x = B ( x )

x 2 y " - x y ' + y =   4 x l n ( x )

Dividindo tudo por x 2 , temos:

y ' ' - y ' x + y x 2 = 4 ln ⁡ x x

p x = - 1 x

q x = 1 x 2

B x = 4 ln ⁡ x x

Passo 3

Vamos resolver a EDO como se fosse homogênea – solução homogênea: y h x ,caso o problema não forneça a solução da homogênea.

O problema já fornece a solução da homogênea. Temos então, identificando y 1 ( x ) e y 2 ( x ) , temos:

y 1 = x

y 2 = x ln ⁡ x

Passo 4

Agora vamos encontrar a cara da solução particular y p x = y 1 x . f 1 x + y 2 x . f 2 x

A solução particular será:

y p x = f 1 x x + f 2 x x ln ⁡ x

Passo 5

Seguindo nosso passo a passo, vamos calcular y 1 ' x e y 2 ' x

y 1 ' = 1

y 2 ' = ln ⁡ x + x . 1 x = ln ⁡ x + 1

Passo 6

Bora calcular Calcular

M = y 1 ' x . y 2 x - y 2 ' x y 1 x

Como já temos esses termos, ficamos com

M = 1 x ln ⁡ x - ( ln ⁡ x + 1 x )

M = - x

Passo 7

Agora vamos cair pra cima de f 1 ( x )

f 1 x = ∫ y 2 x . B x M d x

Temos:

f 1 x = ∫ x l n x 4 ln ⁡ x x - x d x

f 1 x = - 4 ∫ ln ⁡ x 2 x d x

Como resolver essa integral? Vamos usar a substituição simples:

u = l n ⁡ ( x )

d u = 1 x d x

d x = x d u

Substituindo na integral temos:

f 1 x = - 4 ∫ u 2 x x d u

Cortando os x , temos:

f 1 x = - 4 ∫ u 2 d u

f 1 x = - 4 u 3 3

Voltando u = ln ⁡ x , ficamos com

f 1 x = - 4 3 ln ⁡ x 3

Agora para f 2 x , vamos ter

f 2 x = ∫ - y 1 x . B x M d x

f 2 x = ∫ - x . 4 ln ⁡ x x - x d x

f 2 x = 4 ∫ l n ⁡ ( x ) x d x

Vamos fazer uma substituição simples:

u = l n ⁡ ( x )

d u = 1 x d x

d x = x d u

Substituindo:

f 2 x = 4 ∫ u x x d u

f 2 x = 4 ∫ u d u

f 2 x = 4 u 2 2 = 2 u 2

f 2 x = 2 ln ⁡ x 2

Passo 8

Logo, para nosso y p então temos:

y p x = f 1 x x + f 2 x x l n ( x )

y p x = - 4 3 ln ⁡ x 3 x + 2 ln ⁡ x 2 x l n ( x )

y p x = - 4 3 ln ⁡ x 3 x + 2 ln ⁡ x 3 x = 2 3 x ln ⁡ x 3

Passo 9

Encontrar a solução geral:

y x = y h x + y p x

Sabemos que :

y h x = c 1 y 1 + c 2 y 2

Logo:

y h x = c 1 x + c 2 x l n ( x )

Então:

y x = c 1 x + c 2 x l n x + 2 3 x ln ⁡ x 3

Resposta

y x = c 1 x + c 2 x l n x + 2 3 x ln ⁡ x 3