Дифференциальное уравнение y’’+y’=xe^x

Вы ввели

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

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

Подробное решение

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

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

где
$$p = 1$$
$$q = 0$$
$$s = - x e^{x}$$
Называется линейным неоднородным
дифф. ур-нием 2-го порядка с постоянными коэффициентами.
Решить это ур-ние не представляет особой сложности
Сначала отыскиваем корни характеристического ур-ния
$$q + \left(k^{2} + k p\right) = 0$$
В нашем случае характ. ур-ние будет иметь вид:
$$k^{2} + k = 0$$
Подробное решение простого уравнения
- это простое квадратное ур-ние
Корни этого ур-ния:
$$k_{1} = -1$$
$$k_{2} = 0$$
Т.к. характ. ур-ние имеет два корня,
и корни не имеют комплексный вид, то
решение соотв. дифф. ур-ния имеет вид:
$$y{\left(x \right)} = C_{1} e^{k_{1} x} + C_{2} e^{k_{2} x}$$
$$y{\left(x \right)} = C_{1} e^{- x} + C_{2}$$

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

Ответ

                                 x
                -x   (-3 + 2*x)*e 
y(x) = C1 + C2*e   + -------------
                           4      

$$y{\left(x \right)} = C_{1} + C_{2} e^{- x} + \frac{\left(2 x - 3\right) e^{x}}{4}$$

Классификация

nth linear constant coeff undetermined coefficients

nth linear constant coeff variation of parameters

nth order reducible

nth linear constant coeff variation of parameters Integral