Top.Mail.Ru

Дано линейное дифференциальное уравнение 1-го порядка:

y’ = -2xy + x * e^(-x^2) (1)

а также начальное условие:

y(1) = e

1. Найдем общее решение уравнения (1):

Сначала решим однородное уравнение:

dy/dx = -2xy (2)

Это уравнение можно решить методом разделения переменных:

dy/y = -2x dx

Проинтегрируем обе части уравнения:

∫(1/y)dy = ∫(-2x)dx

ln|y| = -x^2 + C1, где C1 – постоянная интегрирования

Теперь найдем частное решение неоднородного уравнения.

Заметим, что f(x) = x * e^(-x^2) является частным решением уравнения (1). Поэтому, предположим, что y_p = A(x) * x * e^(-x^2), где A(x) – функция, которую нужно найти.

Теперь подставим это предположение в исходное уравнение (1):

A'(x) * x * e^(-x^2) + A(x) * (-2x) * e^(-x^2) + A(x) * x * (-2x) * e^(-x^2) = x * e^(-x^2)

A'(x) * x * e^(-x^2) – A(x) * 2x * e^(-x^2) = x * e^(-x^2)

A'(x) – 2A(x) = 1

Решим это неоднородное линейное уравнение:

Сначала найдем общее решение однородного уравнения:

dy/dx – 2y = 0

Решением однородного уравнения будет:

y_h = Ce^(2x), где C – произвольная постоянная

Теперь используем метод вариации постоянной для поиска частного решения:

Предположим, что A(x) = C(x)e^(2x), где C(x) – функция, которую нужно найти.

Теперь возьмем производную от предположенного A(x):

A'(x) = C'(x)e^(2x) + 2C(x)e^(2x)

Подставим эти значения в неоднородное уравнение:

C'(x)e^(2x) + 2C(x)e^(2x) – 2C(x)e^(2x) = 1

C'(x)e^(2x) = 1

C'(x) = e^(-2x)

Проинтегрируем обе части уравнения:

∫C'(x)dx = ∫e^(-2x)dx

C(x) = ∫e^(-2x)dx

C(x) = (-1/2)e^(-2x) + C2, где C2 – постоянная интегрирования

Теперь найдем A(x):

A(x) = C(x)e^(2x)

A(x) = ((-1/2)e^(-2x) + C2)e^(2x)

A(x) = (-1/2) + C2e^(2x)

Итак, частное решение неоднородного уравнения будет:

y_p = A(x) * x * e^(-x^2)

y_p = (-1/2)x*e^(-x^2) + C2xe^(-x^2)

Теперь объединим общее и частное решение:

y(x) = y_h + y_p

y(x) = Ce^(2x) + (-1/2)x*e^(-x^2) + C2xe^(-x^2)

где C и C2 – произвольные постоянные

   
[metform form_id="1136"]