Solve the following system of ODE
(48D+4)y - (2D+1)z = e
-x
(D+8)y - 3z = 5e
-x
; D =d/dx
{ 48 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}
48\frac{dy}{dx}+4y-2\frac{dz}{dx}-z=e^{-x} \\
\frac{dy}{dx}+8y-3z=5e^{-x}
\end{cases} { 48 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:
48 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 48\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} 48 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 + 127 3 d y d x + 4 3 y = 8 3 e − x -\frac23\frac{d^2y}{dx^2}+\frac{127}{3}\frac{dy}{dx}+\frac43y=\frac83e^{-x} − 3 2 d x 2 d 2 y + 3 127 d x d y + 3 4 y = 3 8 e − x
2 d 2 y d x 2 − 127 d y d x − 4 y = − 8 e − x 2\frac{d^2y}{dx^2}-127\frac{dy}{dx}-4y=-8e^{-x} 2 d x 2 d 2 y − 127 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 − 127 d y 0 d x − 4 y 0 = 0 2\frac{d^2y_0}{dx^2}-127\frac{dy_0}{dx}-4y_0=0 2 d x 2 d 2 y 0 − 127 d x d y 0 − 4 y 0 = 0
Let's compose and solve the characteristic equation:
2 λ 2 − 127 λ − 4 = 0 2\lambda^2-127\lambda-4=0 2 λ 2 − 127 λ − 4 = 0
λ 1 = 127 − 16161 4 \lambda_1=\frac{127-\sqrt{16161}}{4} λ 1 = 4 127 − 16161 , λ 2 = 127 + 16161 4 \lambda_2=\frac{127+\sqrt{16161}}{4} λ 2 = 4 127 + 16161 .
y 0 = C 1 e λ 1 x + C 2 e λ 2 x = C 1 e 127 − 16161 4 x + C 2 e 127 + 16161 4 x y_0=C_1e^{\lambda_1x}+C_2e^{\lambda_2x}=C_1e^{\frac{127-\sqrt{16161}}{4}x}+C_2e^{\frac{127+\sqrt{16161}}{4}x} y 0 = C 1 e λ 1 x + C 2 e λ 2 x = C 1 e 4 127 − 16161 x + C 2 e 4 127 + 16161 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 + 127 A e − x − 4 A e − x = − 8 e − x 2Ae^{-x}+127Ae^{-x}-4Ae^{-x}=-8e^{-x} 2 A e − x + 127 A e − x − 4 A e − x = − 8 e − x
2 A + 127 A − 4 A = − 8 2A+127A-4A=-8 2 A + 127 A − 4 A = − 8
A = − 8 125 A=-\frac{8}{125} A = − 125 8
y p = − 8 125 e − x y_p=-\frac{8}{125}e^{-x} y p = − 125 8 e − x .
Add the typical and the complementary solutions to get the complete solution:
y = y 0 + y p = C 1 e 127 − 16161 4 x + C 2 e 127 + 16161 4 x − 8 125 e − x y=y_0+y_p=C_1e^{\frac{127-\sqrt{16161}}{4}x}+C_2e^{\frac{127+\sqrt{16161}}{4}x}-\frac{8}{125}e^{-x} y = y 0 + y p = C 1 e 4 127 − 16161 x + C 2 e 4 127 + 16161 x − 125 8 e − x .
To find z z z substitute y y y into the (*):
z = 1 3 ( C 1 127 − 16161 4 e 127 − 16161 4 x + C 2 127 + 16161 4 e 127 + 16161 4 x + 8 125 e − x + z=\frac13(C_1\frac{127-\sqrt{16161}}{4}e^{\frac{127-\sqrt{16161}}{4}x}+C_2\frac{127+\sqrt{16161}}{4}e^{\frac{127+\sqrt{16161}}{4}x}+\frac{8}{125}e^{-x}+ z = 3 1 ( C 1 4 127 − 16161 e 4 127 − 16161 x + C 2 4 127 + 16161 e 4 127 + 16161 x + 125 8 e − x +
8 ( C 1 e 127 − 16161 4 x + C 2 e 127 + 16161 4 x − 8 125 e − x ) − 5 e − x ) = 8(C_1e^{\frac{127-\sqrt{16161}}{4}x}+C_2e^{\frac{127+\sqrt{16161}}{4}x}-\frac{8}{125}e^{-x})-5e^{-x} )= 8 ( C 1 e 4 127 − 16161 x + C 2 e 4 127 + 16161 x − 125 8 e − x ) − 5 e − x ) =
C 1 159 − 16161 12 e 127 − 16161 4 x + C 2 159 + 16161 12 e 127 + 16161 4 x − 227 125 e − x C_1\frac{159-\sqrt{16161}}{12}e^{\frac{127-\sqrt{16161}}{4}x}+C_2\frac{159+\sqrt{16161}}{12}e^{\frac{127+\sqrt{16161}}{4}x}-\frac{227}{125}e^{-x} C 1 12 159 − 16161 e 4 127 − 16161 x + C 2 12 159 + 16161 e 4 127 + 16161 x − 125 227 e − x
Answer: { y = C 1 e 127 − 16161 4 x + C 2 e 127 + 16161 4 x − 8 125 e − x z = C 1 159 − 16161 12 e 127 − 16161 4 x + C 2 159 + 16161 12 e 127 + 16161 4 x − 227 125 e − x \begin{cases}
y=C_1e^{\frac{127-\sqrt{16161}}{4}x}+C_2e^{\frac{127+\sqrt{16161}}{4}x}-\frac{8}{125}e^{-x} \\
z=C_1\frac{159-\sqrt{16161}}{12}e^{\frac{127-\sqrt{16161}}{4}x}+C_2\frac{159+\sqrt{16161}}{12}e^{\frac{127+\sqrt{16161}}{4}x}-\frac{227}{125}e^{-x}
\end{cases} { y = C 1 e 4 127 − 16161 x + C 2 e 4 127 + 16161 x − 125 8 e − x z = C 1 12 159 − 16161 e 4 127 − 16161 x + C 2 12 159 + 16161 e 4 127 + 16161 x − 125 227 e − x
Comments