Subjects ecuaciones diferenciales

Variacion Parametros B5C382

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Question: Utilice el método de variación de parámetros para determinar la solución particular, $y_p$, de la ecuación diferencial no homogénea $$y''' + y' = 6x^2 - 3$$. Evalúe esta solución particular en $x = 1.4$. Escriba su respuesta aproximada al milésimo más próximo.
1. **Planteamiento del problema:** Queremos encontrar la solución particular $y_p$ de la ecuación diferencial no homogénea $$y''' + y' = 6x^2 - 3$$ usando el método de variación de parámetros. 2. **Ecuación homogénea asociada:** La ecuación homogénea es $$y''' + y' = 0$$. 3. **Encontrar la solución general homogénea:** La ecuación característica es $$r^3 + r = 0$$. Factorizamos: $$r(r^2 + 1) = 0$$. Las raíces son $$r=0$$ y $$r=\pm i$$. Por lo tanto, la solución general homogénea es: $$y_h = C_1 + C_2 \cos x + C_3 \sin x$$. 4. **Método de variación de parámetros:** Buscamos una solución particular de la forma: $$y_p = u_1(x) \cdot 1 + u_2(x) \cos x + u_3(x) \sin x$$, donde $u_1, u_2, u_3$ son funciones a determinar. 5. **Sistema para $u_i'$:** Definimos: $$y_p = u_1 + u_2 \cos x + u_3 \sin x$$ $$y_p' = u_1' + u_2' \cos x + u_3' \sin x - u_2 \sin x + u_3 \cos x$$ Para simplificar, imponemos las condiciones: $$u_1' + u_2' \cos x + u_3' \sin x = 0$$ $$-u_2' \sin x + u_3' \cos x = 0$$ 6. **Derivada segunda y tercera:** Derivamos para obtener $y_p'''$ y sustituimos en la ecuación original para encontrar $u_i'$. 7. **Sistema simplificado:** El sistema para $u_i'$ es: $$\begin{cases} u_1' + u_2' \cos x + u_3' \sin x = 0 \\ -u_2' \sin x + u_3' \cos x = 0 \\ -u_2' \cos x - u_3' \sin x = 6x^2 - 3 \end{cases}$$ 8. **Resolviendo el sistema:** De la segunda ecuación: $$-u_2' \sin x + u_3' \cos x = 0 \implies u_3' = u_2' \tan x$$ Sustituyendo en la tercera: $$-u_2' \cos x - u_2' \tan x \sin x = 6x^2 - 3$$ Como $\tan x = \frac{\sin x}{\cos x}$, entonces: $$-u_2' \cos x - u_2' \frac{\sin^2 x}{\cos x} = 6x^2 - 3$$ Multiplicamos por $\cos x$: $$-u_2' \cos^2 x - u_2' \sin^2 x = (6x^2 - 3) \cos x$$ Usando identidad trigonométrica $\sin^2 x + \cos^2 x = 1$: $$-u_2' = (6x^2 - 3) \cos x$$ Por lo tanto: $$u_2' = -(6x^2 - 3) \cos x$$ 9. **Encontrar $u_3'$:** $$u_3' = u_2' \tan x = -(6x^2 - 3) \cos x \cdot \tan x = -(6x^2 - 3) \sin x$$ 10. **Encontrar $u_1'$:** De la primera ecuación: $$u_1' + u_2' \cos x + u_3' \sin x = 0$$ Sustituyendo $u_2'$ y $u_3'$: $$u_1' - (6x^2 - 3) \cos^2 x - (6x^2 - 3) \sin^2 x = 0$$ Usando identidad trigonométrica: $$u_1' - (6x^2 - 3)(\cos^2 x + \sin^2 x) = 0$$ $$u_1' - (6x^2 - 3) = 0$$ $$u_1' = 6x^2 - 3$$ 11. **Integrar para obtener $u_i$:** $$u_1 = \int (6x^2 - 3) dx = 2x^3 - 3x + C$$ $$u_2 = -\int (6x^2 - 3) \cos x dx$$ $$u_3 = -\int (6x^2 - 3) \sin x dx$$ 12. **Calcular $u_2$ e $u_3$ (integrales por partes):** Para $u_2$: $$I_1 = \int (6x^2 - 3) \cos x dx = 6 \int x^2 \cos x dx - 3 \int \cos x dx$$ Para $\int x^2 \cos x dx$, usamos integración por partes dos veces: Sea $u = x^2$, $dv = \cos x dx$, entonces $du = 2x dx$, $v = \sin x$. $$\int x^2 \cos x dx = x^2 \sin x - \int 2x \sin x dx$$ Para $\int 2x \sin x dx$, otra integración por partes: Sea $u = 2x$, $dv = \sin x dx$, entonces $du = 2 dx$, $v = -\cos x$. $$\int 2x \sin x dx = -2x \cos x + 2 \int \cos x dx = -2x \cos x + 2 \sin x$$ Por lo tanto: $$\int x^2 \cos x dx = x^2 \sin x - (-2x \cos x + 2 \sin x) = x^2 \sin x + 2x \cos x - 2 \sin x$$ Entonces: $$I_1 = 6(x^2 \sin x + 2x \cos x - 2 \sin x) - 3 \sin x = 6x^2 \sin x + 12x \cos x - 12 \sin x - 3 \sin x = 6x^2 \sin x + 12x \cos x - 15 \sin x$$ Así: $$u_2 = -I_1 = -6x^2 \sin x - 12x \cos x + 15 \sin x + C$$ Para $u_3$: $$I_2 = \int (6x^2 - 3) \sin x dx = 6 \int x^2 \sin x dx - 3 \int \sin x dx$$ Para $\int x^2 \sin x dx$, integración por partes: Sea $u = x^2$, $dv = \sin x dx$, entonces $du = 2x dx$, $v = -\cos x$. $$\int x^2 \sin x dx = -x^2 \cos x + \int 2x \cos x dx$$ Para $\int 2x \cos x dx$, otra integración por partes: Sea $u = 2x$, $dv = \cos x dx$, entonces $du = 2 dx$, $v = \sin x$. $$\int 2x \cos x dx = 2x \sin x - 2 \int \sin x dx = 2x \sin x + 2 \cos x$$ Por lo tanto: $$\int x^2 \sin x dx = -x^2 \cos x + 2x \sin x + 2 \cos x$$ Entonces: $$I_2 = 6(-x^2 \cos x + 2x \sin x + 2 \cos x) + 3 \cos x = -6x^2 \cos x + 12x \sin x + 12 \cos x + 3 \cos x = -6x^2 \cos x + 12x \sin x + 15 \cos x$$ Así: $$u_3 = -I_2 = 6x^2 \cos x - 12x \sin x - 15 \cos x + C$$ 13. **Solución particular:** $$y_p = u_1 + u_2 \cos x + u_3 \sin x$$ Sustituyendo: $$y_p = (2x^3 - 3x) + (-6x^2 \sin x - 12x \cos x + 15 \sin x) \cos x + (6x^2 \cos x - 12x \sin x - 15 \cos x) \sin x$$ 14. **Simplificar términos trigonométricos:** Expandimos: $$y_p = 2x^3 - 3x - 6x^2 \sin x \cos x - 12x \cos^2 x + 15 \sin x \cos x + 6x^2 \cos x \sin x - 12x \sin^2 x - 15 \cos x \sin x$$ Los términos $-6x^2 \sin x \cos x$ y $6x^2 \cos x \sin x$ se cancelan. Los términos $15 \sin x \cos x$ y $-15 \cos x \sin x$ se cancelan. Queda: $$y_p = 2x^3 - 3x - 12x \cos^2 x - 12x \sin^2 x$$ Usando identidad trigonométrica: $$\cos^2 x + \sin^2 x = 1$$ Entonces: $$y_p = 2x^3 - 3x - 12x (\cos^2 x + \sin^2 x) = 2x^3 - 3x - 12x = 2x^3 - 15x$$ 15. **Evaluar en $x=1.4$:** $$y_p(1.4) = 2(1.4)^3 - 15(1.4) = 2(2.744) - 21 = 5.488 - 21 = -15.512$$ Redondeando al milésimo más próximo: $$y_p(1.4) \approx -15.512$$