Enunciado

Para cada uma das equações diferenciais nos problemas de 11 a 14, encontre os quatro primeiros termos não nulos em cada uma de duas soluções em série em torno da origem. Mostre que elas formam um conjunto fundamental de soluções. Qual o valor que você espera que tenha o raio de convergência de cada solução?

e - x x y ' ' + ln ⁡ 1 + x y ' - x y = 0

Passo 1

Assumimos que a solução está na forma:

y = ∑ n = 0 + ∞ a n x n

y ' = ∑ n = 1 + ∞ n a n x n - 1

y ' ' = ∑ n = 2 + ∞ n ( n - 1 ) a n x n - 2

Aplicando na EDO, teremos:

e - x ∑ n = 2 + ∞ n ( n - 1 ) a n x n - 2 + ln ⁡ 1 + x ∑ n = 1 + ∞ n a n x n - 1 - x ∑ n = 0 + ∞ a n x n = 0

Relembrando que a série de Taylor de e - x   quando x = 0 é dada por:

1 - x + x 2 2 ! - x 3 3 ! + x 4 4 ! + …

A série de Taylor para ln ⁡ 1 + x   sobre x = 0 é:

x - x 2 2 + x 3 3 - x 4 4 + x 5 5 + …  

Substituindo os valores de, teremos:

1 - x + x 2 2 ! - x 3 3 ! + x 4 4 ! + … 2 a 2 + 6 a 3 x + 12 a 4 x 2 + 20 a 5 x 3 + 30 a 6 x 4 + 42 a 7 x 5 … + x - x 2 2 + x 3 3 - x 4 4 + x 5 5 + … a 1 + 2 a 2 x + 3 a 3 x 2 + 4 a 4 x 3 + 5 a 5 x 4 + … - x a 0 + a 1 x + a 2 x 2 + a 3 x 3 + a 4 x 4 + a 5 x 5 … = 0

Expandindo e unindo os termos em comum , teremos:

2 a 2 + - 2 a 2 + 6 a 3 x + - 6 a 3 + a 2 + 12 a 4 x 2 + - 1 3 a 2 + 3 a 3 - 12 a 4 + 20 a 5 x 3 + 1 12 a 2 - a 3 + 6 a 4 - 20 a 5 + 30 a 6 x 4 + a 1 x + 2 a 2 - 1 2 a 1 x 2 + 3 a 3 - a 2 + 1 3 a 1 x 3 + 4 a 4 - 3 2 a 3 + 2 3 a 2 - 1 4 a 1 x 4 - a 0 x - a 1 x 2 - a 2 x 3 - a 3 x 4 - a 4 x 5 = 0

Unino os termos em comum antes e depois da igualdade, formulamos:

2 a 2 = 0

- 2 a 2 + 6 a 3 + a 1 - a 0 = 0

- 6 a 3 + 3 a 2 + 12 a 4 - 3 2 a 1 = 0

- 7 3 a 2 + 1 3 a 1 + 6 a 3 - 12 a 4 + 20 a 5 = 0

- 20 a 5 + 30 a 6 + 10 a 4 - 7 3 a 3 + 3 4 a 2 - 1 4 a 1 = 0

Passo 2

Para encontrar y 1 ( x ) , resolvemos as equações acima e assumimos que a 0 = 1 ,   a 1 = 0 resolvendo as equações:

2 a 2 = 0 ,   a 2 = 0

- 0 + 0 + 6 a 3 - 1 = 0 ,   a 3 = 1 6

- 6 1 6 + 0 - 0 + 12 a 4 = 0 ; a 4 = 1 12

20 a 5 - 12 1 12 + 6 1 6 - 0 + 0 = 0 ; a 5 = 0

3 - a 6 - 0 + 10 1 12 - 7 2 1 6 + 0 - 0 = 0 ; a 7 = - 1 120

Já que 4 termos diferentes de zero podemos dizer que :

y 1 x = 1 + 1 6 x 3 + 1 12 x 4 - 1 12 0 x 6 + …

Para encontrar y 2 ( x ) resolvendo as equações e assumindo que a 0 = 0 , a 1 = 1 resolvendo as equações:

2 a 2 = 0 ,   a 2 = 0

6 a 3 - 0 + 1 - 0 = 0 ; a 3 = - 1 6

12 a 4 - 6 - 1 6 + 0 - 3 2 = 0 ; a 4 = 1 2 4

20 a 5 - 12 1 24 + 6 - 1 6 - 0 + 1 3 = 0 ; a 5 = 7 120

Então, podemos dizer que:

y 2 x = x - 1 6 x 3 + 1 2 4 x 4 + 7 120 x 5 + …

Passo 3

Com isso, podemos avaliar o Wronskiano:

Tendo y 1 e y 2 , queremos um valor em que o Wronskiano seja diferente de zero, para isso o caso mais simples é que a diagonal principal seja unitária e a diagonal secundária seja nula, para isso:

y 1 x = 1 + 1 6 x 3 + 1 12 x 4 - 1 120 x 6 + … ; y 1 0 = 1

y 1 ' x = 1 2 x 2 + 1 3 x 3 - 1 12 x 5 + … y 1 ' 0 = 0

y 2 x = x - 1 6 x 3 + 1 24 x 4 + 7 120 x 5 + …

y 2 ' 0 = 1 - 1 2 x 2 + 1 6 x 3 + 7 24 x 4 + … y 2 ' 0 = 1

Com isso, podemos montar o Wronskiano:

W y 1 , y 2 0 = y 1 ( 0 ) y 2 ( 0 ) y 1 ' ( 0 ) y 2 ' ( 0 ) = 1 0 0 1 = 1 ≠ 0

Já que o Wronskiano não é nulo, temos um conjunto fundamental de soluções.

Como P ( x ) = e - x não é igual a zero para todos os valores de x, no entanto, Q ( x ) = l n ( 1 + x ) é indefinido quando 1 + x ≤ 0 ,   x ≤ - 1 raio de convergência da solução é a menor distância entre x 0 , que é zero até os zeros de P ( x ) ou os pontos que tornam Q ( x ) ou R ( x ) indefinidos e essa é a distância entre zero e - 1 , que os 1 ρ =   1

Resposta

Uma vez que P ( x ) = e - x não é igual a zero para todos os valores de raio de convergência das soluções x é p   = 1 .

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(a) Mostre que a equação diferencial x 2 y ' ' - 4 y = 0 tem uma singularidade no infinito. [Sugestão: Veja página 328.](b) Classifique o ponto singular no infinito como regular ou irregular.
Nos problemas 35 e 36, note que x 0 = 0 é uma singularidade irregular de cada equação. Em cada caso verifique se o método de Frobenius forneceu uma solução x 2 y ' ' - y ' + y = 0
Nos problemas 23-34, mostre que as raízes indiciais diferem por um inteiro. Use o método de Frobenius para obter duas soluções seriais linearmente independentes em torno da singularidade regular x 0 =
Especifique os pontos singulares de (x^4 - 16) y^(' ') + 2 y = 0
Especifique os pontos ordinários de (x^3 - 8) y^(' ') - 2 x y^' + y = 0