Дифференциальное уравнение y’’+2y’+y=x

Вы ввели

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

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

Подробное решение

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

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

где
$$p = 2$$
$$q = 1$$
$$s = - x$$
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:
$$k^{2} + 2 k + 1 = 0$$
Подробное решение простого уравнения
- это простое квадратное ур-ние
Корень этого ур-ния:
$$k_{1} = -1$$
Т.к. корень характ. ур-ния один,
и не имеет комплексный вид, то
решение соотв. дифф. ур-ния имеет вид:
$$y{\left(x \right)} = e^{k_{1} x} C_{1} + e^{k_{1} x} C_{2} x$$
Подставляем $$k_{1} = -1$$
$$y{\left(x \right)} = C_{1} e^{- x} + C_{2} x e^{- x}$$

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:
$$y{\left(x \right)} = x \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} e^{- x} + \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} e^{- x}$$
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(-x) (C1=1, C2=0),
y2(x) = x*exp(-x) (C1=0, C2=1).
А свободный член f = - s, или
$$f{\left(x \right)} = x$$
Значит, система примет вид:
$$x e^{- x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} + e^{- x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = 0$$
$$\frac{d}{d x} x e^{- x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} + \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} \frac{d}{d x} e^{- x} = x$$
или
$$x e^{- x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} + e^{- x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = 0$$
$$\left(- x e^{- x} + e^{- x}\right) \frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} - e^{- x} \frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = x$$
Решаем эту систему:
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = - x^{2} e^{x}$$
$$\frac{d}{d x} \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = x e^{x}$$
- это простые дифф. ур-ния, решаем их
$$\operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = C_{3} + \int \left(- x^{2} e^{x}\right)\, dx$$
$$\operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = C_{4} + \int x e^{x}\, dx$$
или
$$\operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} = C_{3} + \left(- x^{2} + 2 x - 2\right) e^{x}$$
$$\operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} = C_{4} + \left(x - 1\right) e^{x}$$
Подставляем найденные C1(x) и C2(x) в
$$y{\left(x \right)} = x \operatorname{C_{2}}{\left(x \right)} e^{- x} + \operatorname{C_{1}}{\left(x \right)} e^{- x}$$
Получаем окончательный ответ:
$$y{\left(x \right)} = C_{3} e^{- x} + C_{4} x e^{- x} + x - 2$$
где C3 и C4 есть константы

Ответ

                             -x
y(x) = -2 + x + (C1 + C2*x)*e  

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

Классификация

nth linear constant coeff undetermined coefficients

nth linear constant coeff variation of parameters

nth linear constant coeff variation of parameters Integral