Use as série de potência para resolver a equação diferencial.

4-

(y' + 2y = 0) onde x - 3

Passo 1

Existe uma solução da forma:

y = ∑ n = 0 ∞ c n x n

E a derivada dessa série em relação a x será igual a:

y ' = ∑ n = 1 ∞ n c n x n - 1

Outra forma de escrever essa derivada é somando-se 1 a todo n dentro da série de forma que teremos:

y ' = ∑ n = 0 ∞ n + 1 c n + 1 x n  

Agora aplicando essas séries na equação diferencial nós teremos:

x - 3 ∑ n = 0 ∞ n + 1 c n + 1 x n   + 2 ∑ n = 0 ∞ c n x n = 0

Passo 2

Vamos fazer as contas dessa série e ver no que vai dar:

∑ n = 0 ∞ n + 1 c n + 1 x n + 1 - ∑ n = 0 ∞ 3 n + 1 c n + 1 x n + ∑ n = 0 ∞ 2 c n x n = 0

Vamos reescrever :

∑ n = 0 ∞ n + 1 c n + 1 x n + 1 = ∑ n = 1 ∞ n   c n   x n

Isso também é igual a:

∑ n = 1 ∞ n   c n   x n = ∑ n = 0 ∞ n   c n   x n

Pois:

1 c 1 x + 2 c 2 x 2 + … = 0 c 0 x 0 + 1 c 1 x + 2 c 2 x 2 + …

Logo:

∑ n = 0 ∞ n c n x n - ∑ n = 0 ∞ 3 n + 1 c n + 1 x n + ∑ n = 0 ∞ 2 c n x n = 0

Agora se juntarmos tudo:

∑ n = 0 ∞ n + 2 c n x n - 3 n + 1 c n + 1 x n = 0

∑ n = 0 ∞ n + 2 c n - 3 n + 1 c n + 1 x n = 0

Passo 3

Como x n não será zero então a recursividade será (até por que precisamos unificar essas constantes c ) :

n + 2 c n - 3 n + 1 c n + 1 = 0

c n + 1 = n + 2 c n 3 ( n + 1 )

Onde:

c 1 = 2 c 0 3 ;

c 2 = 3 c 1 3 × 2 = 3 3 × 2 × 2 3 c 0 = 3 3 2 c 0 ;

c 3 = 4 c 2 3 × 3 = 4 3 2 × 1 3 c 0 = 4 3 3 c 0

Logo:

c n = n + 1 c 0 3 n

Dessa forma a solução será uma série igual a:

y x = ∑ n = 0 ∞ c 0 n + 1 3 n x n

Resposta

y x = ∑ n = 0 ∞ c 0 n + 1 3 n x n

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