Question Number 102527 by bemath last updated on 09/Jul/20
$$\mathrm{2}{y}''−{y}'+{y}\:=\:\mathrm{cos}\:\mathrm{3}{x}\: \\ $$
Answered by Ar Brandon last updated on 09/Jul/20
$$\mathrm{Let}\:\mathrm{y}=\mathrm{acos3x}+\mathrm{bsin3x} \\ $$$$\Rightarrow\mathrm{y}'=−\mathrm{3asin3x}+\mathrm{3bcos3x}\:,\:\mathrm{y}''=−\mathrm{9acos3x}−\mathrm{9bsin3x} \\ $$$$\Rightarrow−\mathrm{2}×\mathrm{9}\left(\mathrm{acos3x}+\mathrm{bsin3x}\right)−\mathrm{3}\left(\mathrm{bcos3x}−\mathrm{asin3x}\right)+\mathrm{acos3x}+\mathrm{bsin3x} \\ $$$$\Rightarrow\left(−\mathrm{18a}−\mathrm{3b}+\mathrm{a}\right)\mathrm{cos3x}+\left(−\mathrm{18b}+\mathrm{3a}+\mathrm{b}\right)\mathrm{sin3x}=\mathrm{cos3x} \\ $$$$\Rightarrow\begin{cases}{−\mathrm{17a}−\mathrm{3b}=\mathrm{1}}\\{\mathrm{3a}−\mathrm{17b}=\mathrm{0}}\end{cases}\:\Rightarrow−\mathrm{17}\left(\frac{\mathrm{17b}}{\mathrm{3}}\right)−\mathrm{3b}=\mathrm{1}\Rightarrow\mathrm{b}=−\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{298}}\:,\:\mathrm{a}=\frac{−\mathrm{17}}{\mathrm{298}} \\ $$$$\mathrm{Particular}\:\mathrm{integral}\:\mathrm{is}; \\ $$$$\mathrm{y}_{\mathrm{PI}} =\frac{−\mathrm{1}}{\mathrm{298}}\left(\mathrm{17cos3x}+\mathrm{3sin3x}\right) \\ $$$$\mathrm{auxillary}\:\mathrm{equation}; \\ $$$$\mathrm{2m}^{\mathrm{2}} −\mathrm{m}+\mathrm{1}=\mathrm{0}\:\Rightarrow\:\mathrm{m}=\frac{\mathrm{1}\pm\sqrt{−\mathrm{7}}}{\mathrm{4}} \\ $$$$\Rightarrow\mathrm{m}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\pm\frac{\mathrm{7i}}{\mathrm{4}} \\ $$$$\Rightarrow\mathrm{Complementary}\:\mathrm{function}\:\mathrm{is}; \\ $$$$\mathrm{y}_{\mathrm{CF}} =\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{4}}} \left(\mathrm{c}\centerdot\mathrm{cos}\frac{\mathrm{7x}}{\mathrm{4}}+\mathrm{d}\centerdot\mathrm{sin}\frac{\mathrm{7x}}{\mathrm{4}}\right) \\ $$$$\therefore\:\mathrm{y}=\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{4}}} \left(\mathrm{c}\centerdot\mathrm{cos}\frac{\mathrm{7x}}{\mathrm{4}}+\mathrm{d}\centerdot\mathrm{sin}\frac{\mathrm{7x}}{\mathrm{4}}\right)−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{298}}\left(\mathrm{17cos3x}+\mathrm{3sin3x}\right) \\ $$$$ \\ $$$${Well}\:{this}\:{is}\:{what}\:{I}\:{think}.\:{I}\:{haven}'{t}\:{yet}\:{mastered}\:{D}.{E} \\ $$$${so}\:{I}\:{may}\:{have}\:{erred}\:{at}\:{some}\:{point}.\:{I}'{ll}\:{like} \\ $$$${to}\:{know}\:{you}\:{think}. \\ $$
Commented by bemath last updated on 10/Jul/20
cooll
Commented by Ar Brandon last updated on 10/Jul/20
Alright
Answered by mathmax by abdo last updated on 10/Jul/20
$$\left(\mathrm{he}\right)\:\rightarrow\mathrm{2y}^{''} −\mathrm{y}^{'} \:+\mathrm{y}\:=\mathrm{0}\:\rightarrow\mathrm{2r}^{\mathrm{2}} −\mathrm{r}\:+\mathrm{1}\:=\mathrm{0} \\ $$$$\Delta\:=\mathrm{1}−\mathrm{8}=−\mathrm{7}\:\Rightarrow\mathrm{r}_{\mathrm{1}} =\frac{\mathrm{1}+\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{7}}}{\mathrm{2}}\:\:\mathrm{and}\:\mathrm{r}_{\mathrm{2}} =\frac{\mathrm{1}−\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{7}}}{\mathrm{2}}\:\Rightarrow\mathrm{y}_{\mathrm{h}} =\mathrm{a}\:\mathrm{e}^{\mathrm{r}_{\mathrm{1}} \mathrm{x}} \:+\mathrm{b}\:\mathrm{e}^{\mathrm{r}_{\mathrm{2}} \mathrm{x}} \\ $$$$=\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{2}}} \left\{\:\alpha\:\mathrm{cos}\left(\frac{\sqrt{\mathrm{7}}}{\mathrm{2}}\mathrm{x}\right)\:+\beta\mathrm{sin}\left(\frac{\sqrt{\mathrm{7}}}{\mathrm{2}}\mathrm{x}\right)\right\}\:=\alpha\:\mathrm{u}_{\mathrm{1}} \:+\beta\:\mathrm{u}_{\mathrm{2}} \\ $$$$\mathrm{W}\left(\mathrm{u}_{\mathrm{1}} \:,\mathrm{u}_{\mathrm{2}} \right)\:=\begin{vmatrix}{\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{2}}} \:\mathrm{cos}\left(\frac{\sqrt{\mathrm{7}}}{\mathrm{2}}\mathrm{x}\right)\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{2}}} \:\mathrm{sin}\left(\frac{\sqrt{\mathrm{7}}}{\mathrm{2}}\mathrm{x}\right)}\\{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{2}}} \:\mathrm{cos}\left(\frac{\sqrt{\mathrm{7}}}{\mathrm{2}}\mathrm{x}\right)−\frac{\sqrt{\mathrm{7}}}{\mathrm{2}}\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{2}}} \:\mathrm{sin}\left(\frac{\sqrt{\mathrm{7}}}{\mathrm{2}}\mathrm{x}\right)\:\:\:\:\:\:\:\:\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{2}}} \mathrm{sin}\left(\frac{\sqrt{\mathrm{7}}}{\mathrm{2}}\mathrm{x}\right)+\frac{\sqrt{\mathrm{7}}}{\mathrm{2}}\:\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{2}}} \:\mathrm{cos}\left(\frac{\sqrt{\mathrm{7}}}{\mathrm{2}}\mathrm{x}\right)}\end{vmatrix} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\mathrm{e}^{\mathrm{x}} \mathrm{cos}\left(\frac{\sqrt{\mathrm{7}}}{\mathrm{2}}\mathrm{x}\right)\mathrm{sin}\left(\frac{\sqrt{\mathrm{7}}}{\mathrm{2}}\mathrm{x}\right)\:+\frac{\sqrt{\mathrm{7}}}{\mathrm{2}}\:\mathrm{e}^{\mathrm{x}} \:\mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \left(\frac{\sqrt{\mathrm{7}}}{\mathrm{2}}\mathrm{x}\right)−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:\mathrm{e}^{\mathrm{x}} \:\mathrm{cos}\left(\frac{\sqrt{\mathrm{7}}}{\mathrm{2}}\mathrm{x}\right)\mathrm{sin}\left(\frac{\sqrt{\mathrm{7}}}{\mathrm{2}}\mathrm{x}\right) \\ $$$$+\frac{\sqrt{\mathrm{7}}}{\mathrm{2}}\:\mathrm{e}^{\mathrm{x}} \:\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \left(\frac{\sqrt{\mathrm{7}}}{\mathrm{2}}\mathrm{x}\right)\:=\frac{\sqrt{\mathrm{7}}}{\mathrm{2}}\:\mathrm{e}^{\mathrm{x}} \\ $$$$\mathrm{W}_{\mathrm{1}} =\begin{vmatrix}{\mathrm{o}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{2}}} \:\mathrm{sin}\left(\frac{\sqrt{\mathrm{7}}}{\mathrm{2}}\mathrm{x}\right)}\\{\mathrm{cos}\left(\mathrm{3x}\right)\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{2}}} \:\mathrm{sin}\left(\frac{\sqrt{\mathrm{7}}}{\mathrm{2}}\mathrm{x}\right)+\frac{\sqrt{\mathrm{7}}}{\mathrm{2}}\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{2}}} \:\mathrm{cos}\left(\frac{\sqrt{\mathrm{7}}}{\mathrm{2}}\mathrm{x}\right)}\end{vmatrix} \\ $$$$=−\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{2}}} \:\mathrm{cos}\left(\mathrm{3x}\right)\mathrm{sin}\left(\frac{\sqrt{\mathrm{7}}}{\mathrm{2}}\mathrm{x}\right) \\ $$$$\mathrm{W}_{\mathrm{2}} =\begin{vmatrix}{\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{2}}} \:\mathrm{cos}\left(\frac{\sqrt{\mathrm{7}}}{\mathrm{2}}\mathrm{x}\right)\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{0}}\\{….\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\mathrm{cos}\left(\mathrm{3x}\right)}\end{vmatrix}\:=\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{2}\:}} \:\mathrm{cos}\left(\mathrm{3x}\right)\mathrm{cos}\left(\frac{\sqrt{\mathrm{7}}}{\mathrm{2}}\mathrm{x}\right) \\ $$$$\mathrm{v}_{\mathrm{1}} =\int\frac{\mathrm{w}_{\mathrm{1}} }{\mathrm{w}}\mathrm{dx}\:=−\int\:\frac{\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{2}}} \:\mathrm{cos}\left(\mathrm{3x}\right)\mathrm{sin}\left(\frac{\sqrt{\mathrm{7}}}{\mathrm{2}}\mathrm{x}\right)}{\frac{\sqrt{\mathrm{7}}}{\mathrm{2}}\:\mathrm{e}^{\mathrm{x}} }\:=−\frac{\mathrm{2}}{\:\sqrt{\mathrm{7}}}\:\int\:\:\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{2}\:}} \:\mathrm{cos}\left(\mathrm{3x}\right)\mathrm{sin}\left(\frac{\sqrt{\mathrm{7}}}{\mathrm{2}}\mathrm{x}\right)\mathrm{dx} \\ $$$$\mathrm{v}_{\mathrm{2}} =\int\:\frac{\mathrm{w}_{\mathrm{2}} }{\mathrm{w}}\:\mathrm{dx}\:=\int\:\:\frac{\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{2}\:}} \:\mathrm{cos}\left(\mathrm{3x}\right)\mathrm{cos}\left(\frac{\sqrt{\mathrm{7}}}{\mathrm{2}}\mathrm{x}\right)}{\frac{\sqrt{\mathrm{7}}}{\mathrm{2}}\mathrm{e}^{\mathrm{x}} }\:\mathrm{dx}\:=\frac{\mathrm{2}}{\:\sqrt{\mathrm{7}}}\:\int\:\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{2}\:}} \:\mathrm{cos}\left(\mathrm{3x}\right)\mathrm{cos}\left(\frac{\sqrt{\mathrm{7}}}{\mathrm{2}}\mathrm{x}\right)\mathrm{dx} \\ $$$$\mathrm{v}_{\mathrm{1}} \:\mathrm{and}\:\mathrm{v}_{\mathrm{2}} \:\mathrm{are}\:\mathrm{eazy}\:\mathrm{to}\:\mathrm{slve}\:\Rightarrow\mathrm{y}_{\mathrm{p}} =\mathrm{u}_{\mathrm{1}} \mathrm{v}_{\mathrm{1}\:} \:+\mathrm{u}_{\mathrm{2}} \mathrm{v}_{\mathrm{2}} \\ $$$$\mathrm{the}\:\mathrm{general}\:\mathrm{solution}\:\mathrm{is}\:\mathrm{y}\:=\mathrm{y}_{\mathrm{h}} \:+\mathrm{y}_{\mathrm{p}} \\ $$
Answered by mathmax by abdo last updated on 10/Jul/20
$$\mathrm{let}\:\mathrm{use}\:\mathrm{laplace}\:\mathrm{transform} \\ $$$$\mathrm{e}\:\Rightarrow\mathrm{2L}\left(\mathrm{y}^{''} \right)−\mathrm{L}\left(\mathrm{y}^{'} \right)\:+\mathrm{L}\left(\mathrm{y}\right)\:=\mathrm{L}\left(\mathrm{cos}\left(\mathrm{3x}\right)\right) \\ $$$$\Rightarrow\:\mathrm{2}\left\{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \mathrm{L}\left(\mathrm{y}\right)−\mathrm{x}\:\mathrm{y}\left(\mathrm{0}\right)−\mathrm{y}^{'} \left(\mathrm{0}\right)\right)−\left\{\mathrm{xL}\left(\mathrm{y}\right)−\mathrm{y}\left(\mathrm{o}\right)\right\}+\mathrm{L}\left(\mathrm{y}\right)\:=\mathrm{L}\left(\mathrm{cos}\left(\mathrm{3x}\right)\right)\:\Rightarrow \\ $$$$\left(\mathrm{2x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{x}+\mathrm{1}\right)\mathrm{L}\left(\mathrm{y}\right)\:−\mathrm{2xy}\left(\mathrm{o}\right)−\mathrm{2y}^{'} \left(\mathrm{o}\right)+\mathrm{y}\left(\mathrm{o}\right)\:=\mathrm{L}\left(\mathrm{cos}\left(\mathrm{3x}\right)\right)\:\Rightarrow \\ $$$$\left(\mathrm{2x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{x}+\mathrm{1}\right)\mathrm{L}\left(\mathrm{y}\right)\:=\mathrm{2xy}\left(\mathrm{0}\right)+\mathrm{2y}^{'} \left(\mathrm{o}\right)−\mathrm{y}\left(\mathrm{o}\right)\:+\mathrm{L}\left(\mathrm{cos}\left(\mathrm{3x}\right)\right) \\ $$$$\mathrm{L}\left(\mathrm{cos}\left(\mathrm{3x}\right)\right)\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\mathrm{cos}\left(\mathrm{3t}\right)\:\mathrm{e}^{−\mathrm{xt}} \:\mathrm{dt}\:=\mathrm{Re}\left(\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\mathrm{e}^{\left(−\mathrm{x}+\mathrm{3i}\right)\mathrm{t}} \:\mathrm{dt}\right)\:\mathrm{we}\:\mathrm{have} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\mathrm{e}^{\left(−\mathrm{x}+\mathrm{3i}\right)\mathrm{t}} \:\mathrm{dt}\:=\left[\frac{\mathrm{1}}{−\mathrm{x}+\mathrm{3i}}\:\mathrm{e}^{\left(−\mathrm{x}+\mathrm{3i}\right)\mathrm{t}} \right]_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:=−\frac{\mathrm{1}}{−\mathrm{x}+\mathrm{3i}}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{x}−\mathrm{3i}}\:=\frac{\mathrm{x}+\mathrm{3i}}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{9}}\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{L}\left(\mathrm{cos}\left(\mathrm{3x}\right)\right)\:=\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{9}} \\ $$$$\mathrm{e}\:\Rightarrow\left(\mathrm{2x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{x}+\mathrm{1}\right)\mathrm{L}\left(\mathrm{y}\right)\:=\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{9}}\:+\mathrm{2y}\left(\mathrm{o}\right)\mathrm{x}\:+\mathrm{2y}^{'} \left(\mathrm{0}\right)−\mathrm{y}\left(\mathrm{0}\right)\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{L}\left(\mathrm{y}\right)\:=\frac{\mathrm{x}}{\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{9}\right)\left(\mathrm{2x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{x}+\mathrm{1}\right)}\:+\mathrm{2y}\left(\mathrm{o}\right)\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{2x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{x}+\mathrm{1}}\:+\frac{\mathrm{2y}^{'} \left(\mathrm{o}\right)−\mathrm{y}\left(\mathrm{o}\right)}{\mathrm{2x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{x}+\mathrm{1}}\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{y}\left(\mathrm{x}\right)\:=\mathrm{L}^{−\mathrm{1}} \left(\frac{\mathrm{x}}{\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{9}\right)\left(\mathrm{2x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{x}+\mathrm{1}\right)}\right)+\mathrm{2y}\left(\mathrm{o}\right)\mathrm{L}^{−\mathrm{1}} \left(\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{2x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{x}+\mathrm{1}}\right)+\left(\mathrm{2y}^{'} \left(\mathrm{0}\right)−\mathrm{y}\left(\mathrm{o}\right)\right)\mathrm{L}^{−\mathrm{1}} \left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{x}+\mathrm{1}}\right) \\ $$$$….\mathrm{be}\:\mathrm{continued}… \\ $$