Question Number 96771 by abdomathmax last updated on 04/Jun/20
$$\mathrm{solve}\:\mathrm{y}^{''} \:−\mathrm{y}^{'} \:+\mathrm{y}\:=\:\mathrm{cos}\left(\mathrm{2t}\right)\:\mathrm{with}\:\mathrm{y}\left(\mathrm{0}\right)=\mathrm{y}^{'} \left(\mathrm{0}\right)=−\mathrm{1} \\ $$
Answered by mathmax by abdo last updated on 05/Jun/20
$$\mathrm{let}\:\mathrm{solve}\:\mathrm{by}\:\mathrm{laplce}\: \\ $$$$\left(\mathrm{e}\right)\Rightarrow\mathrm{L}\left(\mathrm{y}^{\left(\mathrm{2}\right)} \right)−\mathrm{L}\left(\mathrm{y}^{\left(\mathrm{1}\right)} \right)+\mathrm{L}\left(\mathrm{y}\right)\:=\mathrm{L}\left(\mathrm{cos}\left(\mathrm{2t}\right)\right)\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \mathrm{L}\left(\mathrm{y}\right)−\mathrm{xy}\left(\mathrm{0}\right)−\mathrm{y}^{'} \left(\mathrm{0}\right)−\left(\mathrm{xL}\left(\mathrm{y}\right)−\mathrm{y}\left(\mathrm{0}\right)\right)+\mathrm{L}\left(\mathrm{y}\right)\:=\mathrm{L}\left(\mathrm{cos}\left(\mathrm{2x}\right)\right)\:\Rightarrow \\ $$$$\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{x}+\mathrm{1}\right)\mathrm{L}\left(\mathrm{y}\right)+\mathrm{x}+\mathrm{1}\:−\mathrm{1}\:=\mathrm{L}\left(\mathrm{cos}\left(\mathrm{2x}\right)\right)\:\Rightarrow \\ $$$$\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{x}+\mathrm{1}\right)\mathrm{L}\left(\mathrm{y}\right)\:=−\mathrm{x}\:+\mathrm{L}\left(\mathrm{cos}\left(\mathrm{2x}\right)\right)\:\mathrm{we}\:\mathrm{have}\: \\ $$$$\mathrm{L}\left(\mathrm{cos}\left(\mathrm{2x}\right)\right)\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\mathrm{cos}\left(\mathrm{2t}\right)\mathrm{e}^{−\mathrm{xt}} \:\mathrm{dt}\:=\mathrm{Re}\left(\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\mathrm{e}^{\mathrm{2it}−\mathrm{xt}} \:\mathrm{dt}\right)\mathrm{and} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\mathrm{e}^{\left(−\mathrm{x}+\mathrm{2i}\right)\mathrm{t}} \:\mathrm{dt}\:=\left[\frac{\mathrm{1}}{−\mathrm{x}+\mathrm{2i}}\:\mathrm{e}^{\left(−\mathrm{x}+\mathrm{2i}\right)\mathrm{t}} \right]_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:=−\frac{\mathrm{1}}{−\mathrm{x}+\mathrm{2i}}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{x}−\mathrm{2i}}\:=\frac{\mathrm{x}+\mathrm{2i}}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{4}}\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{L}\left(\mathrm{cos}\left(\mathrm{2x}\right)\right)\:=\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{4}}\:\mathrm{so}\: \\ $$$$\left(\mathrm{e}\right)\:\Rightarrow\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{x}+\mathrm{1}\right)\mathrm{L}\left(\mathrm{y}\right)\:=−\mathrm{x}\:+\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{4}}\:\Rightarrow\mathrm{L}\left(\mathrm{y}\right)\:=\frac{−\mathrm{x}}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{x}+\mathrm{1}}\:+\frac{\mathrm{x}}{\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{x}+\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{4}\right)} \\ $$$$\Rightarrow\mathrm{y}\left(\mathrm{x}\right)\:=−\mathrm{L}^{−\mathrm{1}} \left(\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{x}+\mathrm{1}}\right)\:+\mathrm{L}^{−\mathrm{1}} \left(\frac{\mathrm{x}}{\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{x}+\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{4}\right)}\right) \\ $$$$\mathrm{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{x}\:+\mathrm{1}\:=\mathrm{0}\rightarrow\Delta\:=\mathrm{1}−\mathrm{4}\:=−\mathrm{3}\:\Rightarrow\mathrm{x}_{\mathrm{1}} =\frac{\mathrm{1}+\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}\:\mathrm{and}\:\mathrm{x}_{\mathrm{2}} =\frac{\mathrm{1}−\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}} \\ $$$$\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{x}+\mathrm{1}}\:=\frac{\mathrm{x}}{\left(\mathrm{x}−\mathrm{x}_{\mathrm{1}} \right)\left(\mathrm{x}−\mathrm{x}_{\mathrm{2}} \right)}\:=\mathrm{x}\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{x}−\mathrm{x}_{\mathrm{1}} }−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{x}−\mathrm{x}_{\mathrm{2}} }\right)×\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{x}_{\mathrm{1}} \:−\mathrm{x}_{\mathrm{2}} } \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}}\left\{\:\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{x}−\mathrm{x}_{\mathrm{1}} }−\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{x}−\mathrm{x}_{\mathrm{2}} }\right\}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}}\left\{\frac{\mathrm{x}−\mathrm{x}_{\mathrm{1}} \:+\mathrm{x}_{\mathrm{1}} }{\mathrm{x}−\mathrm{x}_{\mathrm{1}} }−\frac{\mathrm{x}−\mathrm{x}_{\mathrm{2}} +\mathrm{x}_{\mathrm{2}} }{\mathrm{x}−\mathrm{x}_{\mathrm{2}} }\right\} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}}\left\{\frac{\mathrm{x}_{\mathrm{1}} }{\mathrm{x}−\mathrm{x}_{\mathrm{1}} }\:−\frac{\mathrm{x}_{\mathrm{2}} }{\mathrm{x}−\mathrm{x}_{\mathrm{2}} }\right\}\:\Rightarrow\mathrm{L}^{−\mathrm{1}} \left(\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{x}+\mathrm{1}}\right)\:=\frac{\mathrm{x}_{\mathrm{1}} }{\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}}\mathrm{e}^{\mathrm{x}_{\mathrm{1}} \mathrm{x}} \:−\frac{\mathrm{x}_{\mathrm{2}} }{\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}}\:\mathrm{e}^{\mathrm{x}_{\mathrm{2}} \mathrm{t}} \\ $$$$=\frac{\mathrm{x}_{\mathrm{1}} }{\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}}\:\mathrm{e}^{\left(\frac{\mathrm{1}+\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}\right)\mathrm{x}} \:−\frac{\mathrm{x}_{\mathrm{2}} }{\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}}\:\mathrm{e}^{\left(\frac{\mathrm{1}−\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}\right)\mathrm{x}} \\ $$$$=\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{2}}} \left\{\:\frac{\mathrm{x}_{\mathrm{1}} }{\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}}\left(\mathrm{cos}\left(\frac{\sqrt{\mathrm{3}}\mathrm{x}}{\mathrm{2}}\right)+\mathrm{isin}\left(\frac{\sqrt{\mathrm{3}}\mathrm{x}}{\mathrm{2}}\right)\:−\frac{\mathrm{x}_{\mathrm{2}} }{\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}}\left(\mathrm{cos}\left(\frac{\sqrt{\mathrm{3}}\mathrm{x}}{\mathrm{2}}\right)−\mathrm{isin}\left(\frac{\sqrt{\mathrm{3}}\mathrm{x}}{\mathrm{2}}\right)\right\}\right.\right. \\ $$$$=\frac{−\mathrm{i}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{x}}{\mathrm{2}}} \left\{\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}\mathrm{cos}\left(\frac{\sqrt{\mathrm{3}}\mathrm{x}}{\mathrm{2}}\right)\:−\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}×\mathrm{isin}\left(\frac{\sqrt{\mathrm{3}}\mathrm{x}}{\mathrm{2}}\right)\right\}=…. \\ $$$$\mathrm{g}\left(\mathrm{x}\right)\:=\frac{\mathrm{x}}{\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{x}+\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{4}\right)}\:\Rightarrow\mathrm{g}\left(\mathrm{x}\right)\:=\frac{\mathrm{x}}{\left(\mathrm{x}−\mathrm{x}_{\mathrm{1}} \right)\left(\mathrm{x}−\mathrm{x}_{\mathrm{2}} \right)\left(\mathrm{x}−\mathrm{2i}\right)\left(\mathrm{x}+\mathrm{2i}\right)} \\ $$$$=\frac{\mathrm{a}}{\mathrm{x}−\mathrm{x}_{\mathrm{1}} }\:+\frac{\mathrm{b}}{\mathrm{x}−\mathrm{x}_{\mathrm{2}} }\:+\frac{\mathrm{c}}{\mathrm{x}−\mathrm{2i}}\:+\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{x}\:+\mathrm{2i}}\:\:\:\mathrm{its}\:\mathrm{eazy}\:\mathrm{to}\:\mathrm{find}\:\left(\mathrm{a}_{\left.\mathrm{i}\right)} \:\Rightarrow\right. \\ $$$$\mathrm{L}^{−\mathrm{1}} \left(\mathrm{g}\left(\mathrm{x}\right)\right)\:=\mathrm{ae}^{\mathrm{x}_{\mathrm{1}} \mathrm{x}} \:+\mathrm{be}^{\mathrm{x}_{\mathrm{2}} \mathrm{x}} \:+\mathrm{c}\:\mathrm{e}^{\mathrm{2ix}} \:+\mathrm{de}^{−\mathrm{2ix}} \:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{y}\left(\mathrm{x}\right)\:=\frac{\mathrm{x}_{\mathrm{1}} }{\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}}\:\mathrm{e}^{\mathrm{x}_{\mathrm{1}} \mathrm{x}} \:−\frac{\mathrm{x}_{\mathrm{2}} }{\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}}\:\mathrm{e}^{\mathrm{x}_{\mathrm{2}} \mathrm{x}} \:\:+\mathrm{a}\:\mathrm{e}^{\mathrm{x}_{\mathrm{1}} \mathrm{x}} \:+\mathrm{b}\:\mathrm{e}^{\mathrm{x}_{\mathrm{2}} \mathrm{x}} \:+\mathrm{c}\:\mathrm{e}^{\mathrm{2ix}} \:+\mathrm{d}\:\mathrm{e}^{−\mathrm{2ix}} \\ $$$$=\left(\frac{\mathrm{x}_{\mathrm{1}} }{\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}}\:+\mathrm{a}\right)\mathrm{e}^{\mathrm{x}_{\mathrm{1}} \mathrm{x}} \:+\left(\mathrm{b}−\frac{\mathrm{x}_{\mathrm{2}} }{\mathrm{i}\sqrt{\mathrm{3}}}\right)\mathrm{e}^{\mathrm{x}_{\mathrm{2}} \mathrm{x}} \:+\:\mathrm{ce}^{\mathrm{2ix}} \:+\mathrm{d}\:\mathrm{e}^{−\mathrm{2ix}} \:. \\ $$