Enunciado
Cálculo - Boyce - Equações Diferenciais - Ed: 10º - Capítulo 4.3 - Ex. 19
19. Considere a equação diferencial linear não homogênea de ordem
em que são constantes. Verifique que, se tiver a forma
então a substituição reduz a à forma
em que são constantes. Determine e em função dos e de . Assim, o problema de determinar uma solução particular da equação original é reduzido ao problema mais simples de determinar uma solução particular de uma equação com coeficientes constantes e contendo um polinômio como termo não homogêneo.
Passo 1
Nessa questão, vamos considerar a equação diferencial linear não-homogénea de ordem ,
Aqui, são constantes e
Dessa forma
Nosso objetivo é verificar que se, ) então, a equação acima se reduz à forma
Aqui são constantes. Assim, podemos encontrar e em termos de e de .
Passo 2
Para começar a resolver este problema, vamos considerar a equação diferencial linear não-homogénea de ordem :
Vamos também supor que seja uma solução para a equação diferencial dada acima. Sendo assim, podemos diferenciar a equação da seguinte forma:
Podemos ver que a denunciação está formando um padrão, assim, temos que:
Se considerarmos então temos que . Assim temos que:
Passo 3
Agora, vamos substituir o resultado encontrado no passo anterior na equação diferencial linear não-homogénea de ordem abaixo. Assim temos:
Podemos rescrever a equação diferencial de uma forma mais compacta, onde . Assim temos:
Podemos escrever a expressão a direita da seguinte forma:
Do lado direito da equação acima, podemos dizer que ela tema a seguinte forma:
Assim, podemos fazer a seguinte relação:
E consequentemente:
Passo 4
Os coeficientes pode ser determinado coletando os termos semelhantes no somatório duplo na equação
Por exemplo, é o coeficiente de . Assim, temos que o único termo que contém é quando e. Portanto:
Por outro lado, é o coeficiente de . O somatório interno em
Contém termos com , dados por (quando ), para cada . Consequentemente
Então, os termos que contêm são:
Os termos que contêm são:
E assim sucessivamente