y ′ ′ + 2 y ′ + y = 3 e − x x + 1 y'' + 2y' + y = 3{e^{ - x}}\sqrt {x + 1} y ′′ + 2 y ′ + y = 3 e − x x + 1
Let's find y c {y_c} y c , using auxiliary equation:
k 2 + 2 k + 1 = 0 ( k + 1 ) 2 = 0 k 1 = k 2 = − 1 \begin{array}{l}
{k^2} + 2k + 1 = 0\\
{(k + 1)^2} = 0\\
{k_1} = {k_2} = - 1
\end{array} k 2 + 2 k + 1 = 0 ( k + 1 ) 2 = 0 k 1 = k 2 = − 1
Therefore y c = C 1 e − x + x C 2 e − x {y_c} = {C_1}{e^{ - x}} + x{C_2}{e^{ - x}} y c = C 1 e − x + x C 2 e − x
Let
C 1 = f ( x ) , C 2 = g ( x ) {C_1} = f(x),\,{C_2} = g(x) C 1 = f ( x ) , C 2 = g ( x )
Then
y = f e − x + x g e − x ⇒ y ′ = f ′ e − x − f e − x + g ( e − x − x e − x ) + g ′ x e − x y = f{e^{ - x}} + xg{e^{ - x}} \Rightarrow y' = f'{e^{ - x}} - f{e^{ - x}} + g({e^{ - x}} - x{e^{ - x}}) + g'x{e^{ - x}} y = f e − x + xg e − x ⇒ y ′ = f ′ e − x − f e − x + g ( e − x − x e − x ) + g ′ x e − x
L e t f ′ e − x + g ′ x e − x = 0 ( ∗ ) \begin{array}{l}
Let\\
f'{e^{ - x}} + g'x{e^{ - x}} = 0\,\,\,(*)
\end{array} L e t f ′ e − x + g ′ x e − x = 0 ( ∗ )
Then
y ′ = − f e − x + g ( e − x − x e − x ) ⇒ y ′ ′ = − f ′ e − x + f e − x + g ′ ( e − x − x e − x ) + g ( − 2 e − x + x e − x ) y' = - f{e^{ - x}} + g({e^{ - x}} - x{e^{ - x}}) \Rightarrow y'' = - f'{e^{ - x}} + f{e^{ - x}} + g'({e^{ - x}} - x{e^{ - x}}) + g( - 2{e^{ - x}} + x{e^{ - x}}) y ′ = − f e − x + g ( e − x − x e − x ) ⇒ y ′′ = − f ′ e − x + f e − x + g ′ ( e − x − x e − x ) + g ( − 2 e − x + x e − x )
Substituting into our equation for y, y', y'', we have:
− f ′ e − x + f e − x + g ′ ( e − x − x e − x ) + g ( − 2 e − x + x e − x ) + 2 ( − f e − x + g ( e − x − x e − x ) ) + + f e − x + x g e − x = 3 e − x x + 1 \begin{array}{l}
- f'{e^{ - x}} + f{e^{ - x}} + g'({e^{ - x}} - x{e^{ - x}}) + g( - 2{e^{ - x}} + x{e^{ - x}}) + 2\left( { - f{e^{ - x}} + g({e^{ - x}} - x{e^{ - x}})} \right) + \\
+ f{e^{ - x}} + xg{e^{ - x}} = 3{e^{ - x}}\sqrt {x + 1}
\end{array} − f ′ e − x + f e − x + g ′ ( e − x − x e − x ) + g ( − 2 e − x + x e − x ) + 2 ( − f e − x + g ( e − x − x e − x ) ) + + f e − x + xg e − x = 3 e − x x + 1 − f ′ e − x + g ′ ( e − x − x e − x ) = 3 e − x x + 1 - f'{e^{ - x}} + g'({e^{ - x}} - x{e^{ - x}}) = 3{e^{ - x}}\sqrt {x + 1} − f ′ e − x + g ′ ( e − x − x e − x ) = 3 e − x x + 1
with(*) we have
{ − f ′ e − x + g ′ ( e − x − x e − x ) = 3 e − x x + 1 f ′ e − x + g ′ x e − x = 0 \left\{ \begin{array}{l}
- f'{e^{ - x}} + g'({e^{ - x}} - x{e^{ - x}}) = 3{e^{ - x}}\sqrt {x + 1} \\
f'{e^{ - x}} + g'x{e^{ - x}} = 0\,
\end{array} \right. { − f ′ e − x + g ′ ( e − x − x e − x ) = 3 e − x x + 1 f ′ e − x + g ′ x e − x = 0
From 2-nd equation:
f ′ = − g ′ x f' = - g'x f ′ = − g ′ x
Then
g ′ x + g ′ − g ′ x = 3 x + 1 ⇒ g ′ = 3 x + 1 ⇒ g = 2 x + 1 ( x + 1 ) + C g'x + g' - g'x = 3\sqrt {x + 1} \Rightarrow g' = 3\sqrt {x + 1} \Rightarrow g = 2\sqrt {x + 1} (x + 1) + C g ′ x + g ′ − g ′ x = 3 x + 1 ⇒ g ′ = 3 x + 1 ⇒ g = 2 x + 1 ( x + 1 ) + C
f ′ = − g ′ x = − 3 x x + 1 ⇒ f = − 2 5 ( 3 x − 2 ) ( x + 1 ) x + 1 + C 2 y = f e − x + x g e − x = ( − 2 5 ( 3 x − 2 ) ( x + 1 ) x + 1 + C 2 ) e − x + x ( 2 x + 1 ( x + 1 ) + C ) e − x \begin{array}{l}
f' = - g'x = - 3x\sqrt {x + 1} \Rightarrow f = - \frac{2}{5}\left( {3x - 2} \right)\left( {x + 1} \right)\sqrt {x + 1} + {C_2}\\
y = f{e^{ - x}} + xg{e^{ - x}} = \left( { - \frac{2}{5}\left( {3x - 2} \right)\left( {x + 1} \right)\sqrt {x + 1} + {C_2}} \right){e^{ - x}} + x\left( {2\sqrt {x + 1} (x + 1) + C} \right){e^{ - x}}
\end{array} f ′ = − g ′ x = − 3 x x + 1 ⇒ f = − 5 2 ( 3 x − 2 ) ( x + 1 ) x + 1 + C 2 y = f e − x + xg e − x = ( − 5 2 ( 3 x − 2 ) ( x + 1 ) x + 1 + C 2 ) e − x + x ( 2 x + 1 ( x + 1 ) + C ) e − x