Дифференциальное уравнение y"-9y=cos(x)

Вы ввели

            2               
           d                
-9*y(x) + ---(y(x)) = cos(x)
            2               
          dx                

$$- 9 y{\left(x \right)} + \frac{d^{2}}{d x^{2}} y{\left(x \right)} = \cos{\left(x \right)}$$

Подробное решение

Дано уравнение:
$$- 9 y{\left(x \right)} + \frac{d^{2}}{d x^{2}} y{\left(x \right)} = \cos{\left(x \right)}$$
Это дифф. уравнение имеет вид:

y'' + p*y' + q*y = s,

где
$$p = 0$$
$$q = -9$$
$$s = - \cos{\left(x \right)}$$
Называется линейным неоднородным
дифф. ур-нием 2-го порядка с постоянными коэффициентами.
Решить это ур-ние не представляет особой сложности
Решим сначала соответствующее линейное однородное ур-ние

y'' + p*y' + q*y = 0

Сначала отыскиваем корни характеристического ур-ния
$$q + \left(k^{2} + k p\right) = 0$$
В нашем случае характ. ур-ние будет иметь вид:
$$k^{2} - 9 = 0$$
Подробное решение простого уравнения
- это простое квадратное ур-ние
Корни этого ур-ния:
$$k_{1} = -3$$
$$k_{2} = 3$$
Т.к. характ. ур-ние имеет два корня,
и корни не имеют комплексный вид, то
решение соотв. дифф. ур-ния имеет вид:
$$y{\left(x \right)} = C_{1} e^{k_{1} x} + C_{2} e^{k_{2} x}$$
$$y{\left(x \right)} = C_{1} e^{- 3 x} + C_{2} e^{3 x}$$

Мы нашли решение соотв. однородного ур-ния
Теперь надо решить наше неоднородное уравнение

y'' + p*y' + q*y = s

Используем метод вариации произвольной постоянной
Считаем, что C1 и C2 - это функции от x

И общим решением будет:
$$y{\left(x \right)} = \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} e^{- 3 x} + \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} e^{3 x}$$
где C1(x) и C2(x)
согласно методу вариации постоянных найдём из системы:
$$\operatorname{y_{1}}{\left(x \right)} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} + \operatorname{y_{2}}{\left(x \right)} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = 0$$
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} \frac{d}{d x} \operatorname{y_{1}}{\left(x \right)} + \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} \frac{d}{d x} \operatorname{y_{2}}{\left(x \right)} = f{\left(x \right)}$$
где
y1(x) и y2(x) - линейно независимые частные решения ЛОДУ,
y1(x) = exp(-3*x) (C1=1, C2=0),
y2(x) = exp(3*x) (C1=0, C2=1).
А свободный член f = - s, или
$$f{\left(x \right)} = \cos{\left(x \right)}$$
Значит, система примет вид:
$$e^{3 x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} + e^{- 3 x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = 0$$
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} \frac{d}{d x} e^{- 3 x} + \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} \frac{d}{d x} e^{3 x} = \cos{\left(x \right)}$$
или
$$e^{3 x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} + e^{- 3 x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = 0$$
$$3 e^{3 x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} - 3 e^{- 3 x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = \cos{\left(x \right)}$$
Решаем эту систему:
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = - \frac{e^{3 x} \cos{\left(x \right)}}{6}$$
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = \frac{e^{- 3 x} \cos{\left(x \right)}}{6}$$
- это простые дифф. ур-ния, решаем их
$$\operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = C_{3} + \int \left(- \frac{e^{3 x} \cos{\left(x \right)}}{6}\right)\, dx$$
$$\operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = C_{4} + \int \frac{e^{- 3 x} \cos{\left(x \right)}}{6}\, dx$$
или
$$\operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = C_{3} - \frac{e^{3 x} \sin{\left(x \right)}}{60} - \frac{e^{3 x} \cos{\left(x \right)}}{20}$$
$$\operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = C_{4} + \frac{e^{- 3 x} \sin{\left(x \right)}}{60} - \frac{e^{- 3 x} \cos{\left(x \right)}}{20}$$
Подставляем найденные C1(x) и C2(x) в
$$y{\left(x \right)} = \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} e^{- 3 x} + \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} e^{3 x}$$
Получаем окончательный ответ:
$$y{\left(x \right)} = C_{3} e^{- 3 x} + C_{4} e^{3 x} - \frac{\cos{\left(x \right)}}{10}$$
где C3 и C4 есть константы

Ответ

         cos(x)       -3*x       3*x
y(x) = - ------ + C1*e     + C2*e   
           10                       

$$y{\left(x \right)} = C_{1} e^{- 3 x} + C_{2} e^{3 x} - \frac{\cos{\left(x \right)}}{10}$$

Классификация

nth linear constant coeff undetermined coefficients

nth linear constant coeff variation of parameters

nth linear constant coeff variation of parameters Integral