Subjects ecuaciones diferenciales

Solucion Ecuacion Diferencial 7E2B87

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Question: Para raíces de la ecuación característica de una ecuación diferencial de grado $n$: Calcular la solución general de $y^4 - 2y^{\prime\prime\prime} + 4y^{\prime\prime} - 8y^{\prime} = 0$. Incluyendo las operaciones necesarias para llegar al resultado
1. **Plantear el problema:** Queremos encontrar la solución general de la ecuación diferencial de cuarto orden $$y^{(4)} - 2y^{(3)} + 4y^{(2)} - 8y^{(1)} = 0$$ donde $y^{(k)}$ denota la derivada de orden $k$ de $y$. 2. **Formar la ecuación característica:** Para ecuaciones diferenciales lineales con coeficientes constantes, la solución se encuentra resolviendo la ecuación característica asociada: $$r^4 - 2r^3 + 4r^2 - 8r = 0$$ 3. **Factorizar la ecuación característica:** Primero, sacamos factor común: $$r(r^3 - 2r^2 + 4r - 8) = 0$$ Esto nos da una raíz inmediata: $$r = 0$$ 4. **Resolver el polinomio cúbico restante:** $$r^3 - 2r^2 + 4r - 8 = 0$$ Probamos posibles raíces racionales usando el teorema del residuo (divisores de 8): $\pm1, \pm2, \pm4, \pm8$. Probamos $r=2$: $$2^3 - 2(2)^2 + 4(2) - 8 = 8 - 8 + 8 - 8 = 0$$ Entonces $r=2$ es raíz. 5. **Dividir el polinomio por $(r-2)$:** Usamos división sintética: \begin{align*} &\quad r^3 - 2r^2 + 4r - 8 \\ &= (r - 2)(r^2 + 0r + 4) \end{align*} 6. **Resolver la cuadrática:** $$r^2 + 4 = 0$$ $$r^2 = -4$$ $$r = \pm 2i$$ 7. **Raíces encontradas:** $$r = 0, r = 2, r = 2i, r = -2i$$ 8. **Formar la solución general:** Para raíces reales simples $r_1$ y $r_2$, la solución es $C_1 e^{r_1 x} + C_2 e^{r_2 x}$. Para raíces complejas conjugadas $\alpha \pm \beta i$, la solución es $e^{\alpha x}(C_3 \cos(\beta x) + C_4 \sin(\beta x))$. Aquí: - $r=0$ da $C_1 e^{0 \cdot x} = C_1$ - $r=2$ da $C_2 e^{2x}$ - $r=\pm 2i$ da $C_3 \cos(2x) + C_4 \sin(2x)$ 9. **Solución general completa:** $$y(x) = C_1 + C_2 e^{2x} + C_3 \cos(2x) + C_4 \sin(2x)$$ Donde $C_1, C_2, C_3, C_4$ son constantes arbitrarias determinadas por condiciones iniciales o de frontera.