Solve the following system of ODE
(40D+4)y - (2D+1)z = e^-x
(D+8)y - 3z = 5e^-x ; D=d/dx
{ 40 d y d x + 4 y − 2 d z d x − z = e − x d y d x + 8 y − 3 z = 5 e − x \begin{cases}
40\frac{dy}{dx}+4y-2\frac{dz}{dx}-z=e^{-x} \\
\frac{dy}{dx}+8y-3z=5e^{-x}
\end{cases} { 40 d x d y + 4 y − 2 d x d z − z = e − x d x d y + 8 y − 3 z = 5 e − x
Solution:
From second equation:
z = 1 3 ( d y d x + 8 y − 5 e − x ) z=\frac13(\frac{dy}{dx}+8y-5e^{-x} ) z = 3 1 ( d x d y + 8 y − 5 e − x ) (*)
d z d x = 1 3 ( d 2 y d x 2 + 8 d y d x + 5 e − x ) \frac{dz}{dx}=\frac13(\frac{d^2y}{dx^2}+8\frac{dy}{dx}+5e^{-x}) d x d z = 3 1 ( d x 2 d 2 y + 8 d x d y + 5 e − x )
Substitute z z z and d z d x \frac{dz}{dx} d x d z into the first equation:
40 d y d x + 4 y − 2 3 ( d 2 y d x 2 + 8 d y d x + 5 e − x ) − 1 3 ( d y d x + 8 y − 5 e − x ) = e − x 40\frac{dy}{dx}+4y-\frac23(\frac{d^2y}{dx^2}+8\frac{dy}{dx}+5e^{-x})-\frac13(\frac{dy}{dx}+8y-5e^{-x} )=e^{-x} 40 d x d y + 4 y − 3 2 ( d x 2 d 2 y + 8 d x d y + 5 e − x ) − 3 1 ( d x d y + 8 y − 5 e − x ) = e − x
− 2 3 d 2 y d x 2 + 103 3 d y d x + 4 3 y = 8 3 e − x -\frac23\frac{d^2y}{dx^2}+\frac{103}{3}\frac{dy}{dx}+\frac43y=\frac83e^{-x} − 3 2 d x 2 d 2 y + 3 103 d x d y + 3 4 y = 3 8 e − x
2 d 2 y d x 2 − 103 d y d x − 4 y = − 8 e − x 2\frac{d^2y}{dx^2}-103\frac{dy}{dx}-4y=-8e^{-x} 2 d x 2 d 2 y − 103 d x d y − 4 y = − 8 e − x (**)
First find the general solution of the corresponding homogeneous equation:
2 d 2 y 0 d x 2 − 103 d y 0 d x − 4 y 0 = 0 2\frac{d^2y_0}{dx^2}-103\frac{dy_0}{dx}-4y_0=0 2 d x 2 d 2 y 0 − 103 d x d y 0 − 4 y 0 = 0
Let's compose and solve the characteristic equation:
2 λ 2 − 103 λ − 4 = 0 2\lambda^2-103\lambda-4=0 2 λ 2 − 103 λ − 4 = 0
λ 1 = 103 − 10641 4 \lambda_1=\frac{103-\sqrt{10641}}{4} λ 1 = 4 103 − 10641 , λ 2 = 103 + 10641 4 \lambda_2=\frac{103+\sqrt{10641}}{4} λ 2 = 4 103 + 10641 .
y 0 = C 1 e λ 1 x + C 2 e λ 2 x = C 1 e 103 − 10641 4 x + C 2 e 103 + 10641 4 x y_0=C_1e^{\lambda_1x}+C_2e^{\lambda_2x}=C_1e^{\frac{103-\sqrt{10641}}{4}x}+C_2e^{\frac{103+\sqrt{10641}}{4}x} y 0 = C 1 e λ 1 x + C 2 e λ 2 x = C 1 e 4 103 − 10641 x + C 2 e 4 103 + 10641 x .
Find a typical (specific) solution of the non-homogeneous equation in the form y p = A e − x y_p=Ae^{-x} y p = A e − x
Derivatives of the solution: d y p d x = − A e − x \frac{dy_p}{dx}=-Ae^{-x} d x d y p = − A e − x , d 2 y p d x 2 = A e − x \frac{d^2y_p}{dx^2}=Ae^{-x} d x 2 d 2 y p = A e − x
Substitute those "solutions" into the (**):
2 A e − x + 103 A e − x − 4 A e − x = − 8 e − x 2Ae^{-x}+103Ae^{-x}-4Ae^{-x}=-8e^{-x} 2 A e − x + 103 A e − x − 4 A e − x = − 8 e − x
2 A + 103 A − 4 A = − 8 2A+103A-4A=-8 2 A + 103 A − 4 A = − 8
A = − 101 8 A=-\frac{101}{8} A = − 8 101
y p = − 101 8 e − x y_p=-\frac{101}{8}e^{-x} y p = − 8 101 e − x .
Add the typical and the complementary solutions to get the complete solution:
y = y 0 + y p = C 1 e 103 − 10641 4 x + C 2 e 103 + 10641 4 x − 101 8 e − x y=y_0+y_p=C_1e^{\frac{103-\sqrt{10641}}{4}x}+C_2e^{\frac{103+\sqrt{10641}}{4}x}-\frac{101}{8}e^{-x} y = y 0 + y p = C 1 e 4 103 − 10641 x + C 2 e 4 103 + 10641 x − 8 101 e − x .
To find z z z substitute y y y into the (*):
z = 1 3 ( C 1 103 − 10641 4 e 103 − 10641 4 x + C 2 103 + 10641 4 e 103 + 10641 4 x + 101 8 e − x + z=\frac13(C_1\frac{103-\sqrt{10641}}{4}e^{\frac{103-\sqrt{10641}}{4}x}+C_2\frac{103+\sqrt{10641}}{4}e^{\frac{103+\sqrt{10641}}{4}x}+\frac{101}{8}e^{-x}+ z = 3 1 ( C 1 4 103 − 10641 e 4 103 − 10641 x + C 2 4 103 + 10641 e 4 103 + 10641 x + 8 101 e − x +
8 ( C 1 e 103 − 10641 4 x + C 2 e 103 + 10641 4 x − 101 8 e − x ) − 5 e − x ) = 8(C_1e^{\frac{103-\sqrt{10641}}{4}x}+C_2e^{\frac{103+\sqrt{10641}}{4}x}-\frac{101}{8}e^{-x})-5e^{-x} )= 8 ( C 1 e 4 103 − 10641 x + C 2 e 4 103 + 10641 x − 8 101 e − x ) − 5 e − x ) =
C 1 135 − 10641 12 e 103 − 10641 4 x + C 2 135 + 10641 12 e 103 + 10641 4 x − 249 8 e − x C_1\frac{135-\sqrt{10641}}{12}e^{\frac{103-\sqrt{10641}}{4}x}+C_2\frac{135+\sqrt{10641}}{12}e^{\frac{103+\sqrt{10641}}{4}x}-\frac{249}{8}e^{-x} C 1 12 135 − 10641 e 4 103 − 10641 x + C 2 12 135 + 10641 e 4 103 + 10641 x − 8 249 e − x
Answer: { y = C 1 e 103 − 10641 4 x + C 2 e 103 + 10641 4 x − 101 8 e − x z = C 1 135 − 10641 12 e 103 − 10641 4 x + C 2 135 + 10641 12 e 103 + 10641 4 x − 249 8 e − x \begin{cases}
y=C_1e^{\frac{103-\sqrt{10641}}{4}x}+C_2e^{\frac{103+\sqrt{10641}}{4}x}-\frac{101}{8}e^{-x} \\
z=C_1\frac{135-\sqrt{10641}}{12}e^{\frac{103-\sqrt{10641}}{4}x}+C_2\frac{135+\sqrt{10641}}{12}e^{\frac{103+\sqrt{10641}}{4}x}-\frac{249}{8}e^{-x}
\end{cases} { y = C 1 e 4 103 − 10641 x + C 2 e 4 103 + 10641 x − 8 101 e − x z = C 1 12 135 − 10641 e 4 103 − 10641 x + C 2 12 135 + 10641 e 4 103 + 10641 x − 8 249 e − x
Comments