( D 4 − 64 ) y = x cos x ⇒ y ( 4 ) − 64 y = x cos x \left( {{D^4} - 64} \right)y = x\cos x \Rightarrow {y^{(4)}} - 64y = x\cos x ( D 4 − 64 ) y = x cos x ⇒ y ( 4 ) − 64 y = x cos x
The characteristic equation has the form
k 4 − 64 = 0 {k^4} - 64 = 0 k 4 − 64 = 0
( k 2 − 8 ) ( k 2 + 8 ) = 0 ({k^2} - 8)({k^2} + 8) = 0 ( k 2 − 8 ) ( k 2 + 8 ) = 0
( k − 8 ) ( k + 8 ) ( k − 8 i ) ( k + 8 i ) = 0 (k - \sqrt 8 )(k + \sqrt 8 )(k - \sqrt 8 i)(k + \sqrt 8 i) = 0 ( k − 8 ) ( k + 8 ) ( k − 8 i ) ( k + 8 i ) = 0
k 1 , 2 = ± 8 , k 3 , 4 = ± 8 i {k_{1,2}} = \pm \sqrt 8 ,\,\,{k_{3,4}} = \pm \sqrt 8 i k 1 , 2 = ± 8 , k 3 , 4 = ± 8 i
Then the general solution of the homogeneous equation is
y h = C 1 e 8 x + C 2 e − 8 x + C 3 cos 8 x + C 4 sin 8 x {y_h} = {C_1}{e^{\sqrt 8 x}} + {C_2}{e^{ - \sqrt 8 x}} + {C_3}\cos \sqrt 8 x + {C_4}\sin \sqrt 8 x y h = C 1 e 8 x + C 2 e − 8 x + C 3 cos 8 x + C 4 sin 8 x
We will seek a particular solution in the form
Y = ( A x + B ) cos x + ( C x + D ) sin x ⇒ Y ′ = A cos x − ( A x + B ) sin x + C sin x + ( C x + D ) cos x = ( C x + D + A ) cos x + ( − A x − B + C ) sin x ⇒ Y = (Ax + B)\cos x + (Cx + D)\sin x \Rightarrow Y' = A\cos x - (Ax + B)\sin x + C\sin x + (Cx + D)\cos x = (Cx + D + A)\cos x + ( - Ax - B + C)\sin x \Rightarrow Y = ( A x + B ) cos x + ( C x + D ) sin x ⇒ Y ′ = A cos x − ( A x + B ) sin x + C sin x + ( C x + D ) cos x = ( C x + D + A ) cos x + ( − A x − B + C ) sin x ⇒
⇒ Y ′ ′ = C cos x − ( C x + D + A ) sin x − A sin x + ( − A x − B + C ) cos x = ( − A x − B + 2 C ) cos x + ( − C x − D − 2 A ) sin x ⇒ \Rightarrow Y'' = C\cos x - (Cx + D + A)\sin x - A\sin x + ( - Ax - B + C)\cos x = ( - Ax - B + 2C)\cos x + ( - Cx - D - 2A)\sin x \Rightarrow ⇒ Y ′′ = C cos x − ( C x + D + A ) sin x − A sin x + ( − A x − B + C ) cos x = ( − A x − B + 2 C ) cos x + ( − C x − D − 2 A ) sin x ⇒
⇒ Y ′ ′ ′ = − A cos x − ( − A x − B + 2 C ) sin x − C sin x + ( − C x − D − 2 A ) cos x = ( − C x − D − 3 A ) cos x + ( A x + B − 3 C ) sin x ⇒ \Rightarrow Y''' = - A\cos x - ( - Ax - B + 2C)\sin x - C\sin x + ( - Cx - D - 2A)\cos x = ( - Cx - D - 3A)\cos x + (Ax + B - 3C)\sin x \Rightarrow ⇒ Y ′′′ = − A cos x − ( − A x − B + 2 C ) sin x − C sin x + ( − C x − D − 2 A ) cos x = ( − C x − D − 3 A ) cos x + ( A x + B − 3 C ) sin x ⇒
⇒ Y ( 4 ) = − C cos x − ( − C x − D − 3 A ) sin x + A sin x + ( A x + B − 3 C ) cos x = ( A x + B − 4 C ) cos x + ( C x + D + 4 A ) sin x \Rightarrow {Y^{(4)}} = - C\cos x - ( - Cx - D - 3A)\sin x + A\sin x + (Ax + B - 3C)\cos x = (Ax + B - 4C)\cos x + (Cx + D + 4A)\sin x ⇒ Y ( 4 ) = − C cos x − ( − C x − D − 3 A ) sin x + A sin x + ( A x + B − 3 C ) cos x = ( A x + B − 4 C ) cos x + ( C x + D + 4 A ) sin x
Substitute into the equation:
( A x + B − 4 C ) cos x + ( C x + D + 4 A ) sin x − 64 ( ( A x + B ) cos x + ( C x + D ) sin x ) = x cos x (Ax + B - 4C)\cos x + (Cx + D + 4A)\sin x - 64\left( {(Ax + B)\cos x + (Cx + D)\sin x} \right) = x\cos x ( A x + B − 4 C ) cos x + ( C x + D + 4 A ) sin x − 64 ( ( A x + B ) cos x + ( C x + D ) sin x ) = x cos x
x cos x ( A − 64 A ) + cos x ( B − 4 C − 64 B ) + x sin x ( C − 64 C ) + sin x ( D + 4 A − 64 D ) = x cos x x\cos x(A - 64A) + \cos x(B - 4C - 64B) + x\sin x(C - 64C) + \sin x(D + 4A - 64D) = x\cos x x cos x ( A − 64 A ) + cos x ( B − 4 C − 64 B ) + x sin x ( C − 64 C ) + sin x ( D + 4 A − 64 D ) = x cos x
{ − 63 A = 1 − 63 B − 4 C = 0 − 63 C = 0 4 A − 63 D = 0 \left\{ \begin{array}{l}
- 63A = 1\\
- 63B - 4C = 0\\
- 63C = 0\\
4A - 63D = 0
\end{array} \right. ⎩ ⎨ ⎧ − 63 A = 1 − 63 B − 4 C = 0 − 63 C = 0 4 A − 63 D = 0
A = − 1 63 , B = 0 , C = 0 , D = − 4 3969 A = - \frac{1}{{63}},\,\,B = 0,\,C = 0,\,D = - \frac{4}{{3969}} A = − 63 1 , B = 0 , C = 0 , D = − 3969 4
Then
Y = − 1 63 x cos x − 4 3969 sin x Y = - \frac{1}{{63}}x\cos x - \frac{4}{{3969}}\sin x Y = − 63 1 x cos x − 3969 4 sin x
y = y h + Y = C 1 e 8 x + C 2 e − 8 x + C 3 cos 8 x + C 4 sin 8 x − 1 63 x cos x − 4 3969 sin x y = {y_h} + Y = {C_1}{e^{\sqrt 8 x}} + {C_2}{e^{ - \sqrt 8 x}} + {C_3}\cos \sqrt 8 x + {C_4}\sin \sqrt 8 x - \frac{1}{{63}}x\cos x - \frac{4}{{3969}}\sin x y = y h + Y = C 1 e 8 x + C 2 e − 8 x + C 3 cos 8 x + C 4 sin 8 x − 63 1 x cos x − 3969 4 sin x
Answer: y = C 1 e 8 x + C 2 e − 8 x + C 3 cos 8 x + C 4 sin 8 x − 1 63 x cos x − 4 3969 sin x y = {C_1}{e^{\sqrt 8 x}} + {C_2}{e^{ - \sqrt 8 x}} + {C_3}\cos \sqrt 8 x + {C_4}\sin \sqrt 8 x - \frac{1}{{63}}x\cos x - \frac{4}{{3969}}\sin x y = C 1 e 8 x + C 2 e − 8 x + C 3 cos 8 x + C 4 sin 8 x − 63 1 x cos x − 3969 4 sin x
Comments