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Enunciado

Cálculo - Boyce - Equações Diferenciais - Ed: 10º - Capítulo 5.4 - Ex. 4

Em cada um dos problemas de 1 a 12, determine a solução geral da equação diferencial dada, válida em qualquer intervalo que não inclui o ponto singular

4.

x 2 y ″ +   3 x y '   +   5 y   =   0  

Passo 1

Essa função tem o seguinte formato

P x y " + Q ( x ) y ' + R ( x ) y   =   0

E quando nosso enunciado nos fala sobre “ponto singular” ele está querendo dizer os pontos de x onde

P x = 0

Quaisquer outros pontos são chamados de ordinários. Beleza!!! O que faremos agora é supor que a solução do nosso problema é

y = x r

E com isso substituir na nossa equação

y ' = r x r - 1

y "   =   r ( r - 1 ) x r - 2    

Passo 2

Vamos jogar dentro da nossa equação e ver o resultado disso

x 2 y ″ +   3 x y '   +   5 y   =   0  

x 2 r ( r - 1 ) x r - 2 + 3 x   r x r - 1 + 5 x r = 0

A sagacidade está em perceber que nossa função y " está sendo multiplicada por x 2 , logo podemos ajustar os expoentes e deixar tudo com a seguinte cara

r ( r - 1 ) x r + 3 r x r + 5 x r = 0

x r ( r r - 1 + 3 r + 5 ) = 0

Logo ou nossa função x r = 0 e assim temos a solução trivial, ou temos a seguinte equação solução

r r - 1 + 3 r + 5 = 0

r 2 + 2 r + 5 = 0

Fazendo bhaskara dessa equação do segundo grau descobrimos que

r 1 =   - 1 - 2 i

r 2 =   - 1 + 2 i

Passo 3

Quando temos raízes complexas as coisas mudam um pouco de figura. Podemos expressar nossa resposta como

y = c 1 x λ + i μ + c 2 x λ - i μ

O que nos deixa com uma resposta em termos complexos. OU podemos usar propriedades de exponencial complexa e transformar isso em senos e cossenos e assim nossa resposta seria no formato

y = c 1 x λ cos ⁡ μ ln ⁡ x + c 2 x λ sen ⁡ μ ln ⁡ x

Os dois casos estão corretos. Logo podemos dizer nossa solução é

y = c 1 x - 1 - 2 i + c 2 x   - 1 + 2 i

Terminamos por aqui. Te vejo na próxima resolução

: )

Resposta

y = c 1 x - 1 - 2 i + c 2 x   - 1 + 2 i

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Em cada um dos problemas de 1 a 12, determine a solução geral da equação diferencial dada, válida em qualquer intervalo que não inclui o ponto singular11. x 2 y ″ + 2 x y ' + 4 y=0
Em cada um dos problemas de 1 a 12, determine a solução geral da equação diferencial dada, válida em qualquer intervalo que não inclui o ponto singular9. x 2 y ″ - 5 x y ' + 9 y=0
Em cada um dos problemas de 1 a 12, determine a solução geral da equação diferencial dada, válida em qualquer intervalo que não inclui o ponto singular10. ( x - 2 ) 2 y ″ + 5 ( x - 2 ) y ' + 8 y=0
Em cada um dos problemas de 1 a 12, determine a solução geral da equação diferencial dada, válida em qualquer intervalo que não inclui o ponto singular12. x 2 y ″ - 4 x y ' + 4 y=0
Em cada um dos problemas de 1 a 12, determine a solução geral da equação diferencial dada, válida em qualquer intervalo que não inclui o ponto singular5. x 2 y ″ - x y '+y=0