Resolva a equação diferencial dada usando uma substituição apropriada.

(f) d_y / d_x + x + y + 1 = (x + y)^2 * e^(3x)

Passo 1

Eaew, belezinha?

Temos que resolver a equação diferencial

d y d x   +   x   +   y   +   1   =   ( x   +   y ) 2 e 3 x

fazendo uma substituição adequada para simplificar essa resolução. Vamos lá!

Passo 2

Olhando para a equação diferencial

d y d x   +   x   +   y   +   1   =   ( x   +   y ) 2 e 3 x

Vamos tentar a substituição:

u = x + y

Assim,

d u d x = 1 + d y d x .

Substituindo na equação:

d u d x   + u   = u 2 e 3 x

Essa equação é do formato da equação de Bernoulli, e sabemos como resolvê-la.

Passo 3

Para resolver esse tipo de equação, fazemos

w = u 1 - n

w = u 1 - 2 = u - 1

Então,

d w d x = - u - 2 d u d x

d u d x = - 1 w 2 d w d x

Substituindo na equação

- 1 w 2 d w d x   + 1 w   = 1 w 2 e 3 x

d w d x   - w   = - e 3 x

Chegamos em uma equação diferencial do tipo

d w d x + P ( x ) w = Q ( x )

Esse tipo de equação já possui uma solução padrão, então nossa substituição foi bem sucedida.

Passo 4

Temos que a solução para a equação

d w d x + P ( x ) w = Q ( x )

É dada por

w = e - ∫ P ( x ) d x ( ∫ e ∫ P ( x ) d x Q ( x ) d x + C )

Então vamos calcular as integrais,

∫ P ( x ) d x = - ∫ 1   d x = - x

Assim,

e - ∫ P ( x ) d x = e x

e

∫ e ∫ P ( x ) d x Q ( x ) d x = - ∫ e - x e 3 x d x = - ∫ e 2 x d x = - e 2 x 2

Voltando temos,

w = e x ( - e 2 x 2 + C ) = - e 3 x 2 + C   e x

Passo 5

Então para voltar ao problema inicial lembramos que w = u - 1 , assim

u - 1 = - e 3 x 2 + C   e x .

E lembrando que u = x + y

1 x + y = - e 3 x 2 + C   e x .

A questão foi isso! Te vejo na próxima! Tchau Tchau!

Resposta

1 x + y = - e 3 x 2 + C   e x .

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