− y ′ ′ − 2 y ′ + 2 y = e − 2 x -y''-2y'+2y=e^{-2x} − y ′′ − 2 y ′ + 2 y = e − 2 x
y ( 0 ) = 1 y(0)=1 y ( 0 ) = 1
y ( ∞ ) = 0 y(\infty)=0 y ( ∞ ) = 0
Solution:
y ′ ′ + 2 y ′ − 2 y = − e − 2 x y''+2y'-2y=-e^{-2x} y ′′ + 2 y ′ − 2 y = − e − 2 x
Characteristic equation:
r 2 + 2 r − 2 = 0 r^2+2r-2=0 r 2 + 2 r − 2 = 0 ;
D = 4 + 4 ⋅ 2 = 2 3 D=\sqrt{4+4\cdot 2}=2\sqrt3 D = 4 + 4 ⋅ 2 = 2 3 ;
r 1 = − 1 + 3 r_1=-1+\sqrt3 r 1 = − 1 + 3 ; r 2 = − 1 − 3 r_2=-1-\sqrt3 r 2 = − 1 − 3 .
The general solution of the homogeneous differential equation:
y 0 = C 1 e ( − 1 + 3 ) x + C 2 e ( − 1 − 3 ) x y_0=C_1e^{(-1+\sqrt3)x}+C_2e^{(-1-\sqrt3)x} y 0 = C 1 e ( − 1 + 3 ) x + C 2 e ( − 1 − 3 ) x
Let's find a partial solution of the non-homogeneous equation in the form
y p = A e − 2 x y_p=Ae^{-2x} y p = A e − 2 x
y p ′ = − 2 A e − 2 x y_p'=-2Ae^{-2x} y p ′ = − 2 A e − 2 x
y p ′ ′ = 4 A e − 2 x y_p''=4Ae^{-2x} y p ′′ = 4 A e − 2 x
Substitute y p y_p y p , y p ′ y_p' y p ′ , y p ′ ′ y_p'' y p ′′ into the origin differential equation:
4 A e − 2 x − 4 A e − 2 x − 2 A e − 2 x = − e − 2 x 4Ae^{-2x}-4Ae^{-2x}-2Ae^{-2x}=-e^{-2x} 4 A e − 2 x − 4 A e − 2 x − 2 A e − 2 x = − e − 2 x
A = 1 2 A=\frac12 A = 2 1
The general solution of the non-homogeneous differential equation:
y = y 0 + y p = C 1 e ( − 1 + 3 ) x + C 2 e ( − 1 − 3 ) x + 1 2 e − 2 x y=y_0+y_p=C_1e^{(-1+\sqrt3)x}+C_2e^{(-1-\sqrt3)x}+\frac12e^{-2x} y = y 0 + y p = C 1 e ( − 1 + 3 ) x + C 2 e ( − 1 − 3 ) x + 2 1 e − 2 x
Let's apply conditions:
y ( 0 ) = C 1 + C 2 + 1 2 = 1 y(0)=C_1+C_2+\frac12=1 y ( 0 ) = C 1 + C 2 + 2 1 = 1
y ( ∞ ) = 0 ⟹ y(\infty)=0\implies y ( ∞ ) = 0 ⟹ C 1 = 0 C_1=0 C 1 = 0 (because if C 1 ≠ 0 C_1\neq0 C 1 = 0 then y ( ∞ ) → ∞ y(\infty)\to\infty y ( ∞ ) → ∞ )
C 2 = 1 2 C_2=\frac12 C 2 = 2 1
Answer: y = 1 2 e ( − 1 − 3 ) x + 1 2 e − 2 x y=\frac12e^{(-1-\sqrt3)x}+\frac12e^{-2x} y = 2 1 e ( − 1 − 3 ) x + 2 1 e − 2 x .
Comments