Cómo resolver la ecuación diferencial si se dan los valores iniciales

Completar el cuadrado.

x ^ 2 + 5x = x ^ 2 + 5x + (5/2) ^ 2- (5/2) ^ 2 = (x + 5/2) ^ 2- (5/2) ^ 2 = – (a ^ 2 -y ^ 2)

Sea y = (x + 5/2) y a = (5/2), dy = dx

La integral de dx / (x ^ 2 + 5x) = – dy / (a ​​^ 2-y ^ 2). Eq1

Ponga y = a tanh z, a ^ 2 -y ^ 2 = a ^ 2 (1-tanh ^ 2 z) = a ^ 2 sech ^ 2 z

Y dy = a sech ^ 2 z dz pone toda esta carga en Eq1

Int de (dt) = – Int de (a sech ^ 2 z dz) / (a ​​^ 2 sech ^ 2 z) = – (1 / a) Int de dz = – (1 / a) z

t = – (1 / a) arco tanh (y / a) = – (2/5) arco tanh [(2x + 5) / 5] + c, Eq2

arco tanh [2x + 5) / 5] = (5/2) (ct)

2x + 5 = 5 bronceado [(5/2) (ct)

x = (5/2) bronceado [(5/2) (ct)] – (5/2)

cuando t = 0, c = (5/2) arco tanh (5.6 / 5) desde, Eq2

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También podría dejar que dt = dy / y ^ 2 – a ^ 2 = dy / (ya) (y + a) obtuviera fracciones parciales y completara la integración utilizando registros.

dt = (1 / 2a) dy / (ya) – (1 / 2a) dy / (y + a)

t = (1 / 2a) ln [ya) / (y + a)] + c

t = (1/5) ln [x / (x + 5)] + c

c = – (1/5) ln [0.3 / 5.3]

t = (1/5) ln [(5.3 x) / 0.3 (x + 5)]

dx / x ^ 2 + 5x = dt

=> dx / x ^ 2 + 2 * x * 5/2 + 25/4 -25/4 = dt

=> ∫ d (x + 5/2) / (x + 5/2) ^ 2 – (5/2) ^ 2 = ∫ dt

=> (2/25) * ln | (x – 15/4) / (x + 35/4) | = t + C

Aplicando condición de contorno, t = 0, x = -3

C = (2/25) * ln | 27/13 |

Entonces, (2/25) * ln | (x – 15/4) / (x + 35/4) | = t + (2/25) * ln | 27/13 |

=> (2/25) * ln | (52 * x – 195) / (108 * x + 945) | = t

[matemáticas] \ dfrac {dx} {dt} = x ^ 2 + 5x [/ matemáticas]

[matemáticas] \ implica \ displaystyle \ int \ dfrac {dx} {x (x + 5)} = \ int dt [/ matemáticas]


[matemáticas] \ dfrac {1} {x ^ 2 + 5x} = \ dfrac {A} {x} + \ dfrac {B} {x + 5} [/ matemáticas]

[matemáticas] \ implica A (x + 5) + Bx = 1 [/ matemáticas]

Deje que [math] x = 0 \ implica 5A = 1 \ implica A = \ dfrac {1} {5} [/ math]

Deje que [math] x = -5 \ implica -5B = 1 \ implica B = – \ dfrac {1} {5} [/ math]

Volviendo al problema en cuestión …


[matemáticas] \ implica \ displaystyle \ int \ dfrac {1} {5x} – \ dfrac {1} {5 (x + 1)} = \ int dt [/ math]

[matemáticas] \ implica \ dfrac {1} {5} [\ ln | x | – \ ln | x + 1 |] = t + C [/ matemáticas]

[matemáticas] \ implica \ ln \ bigg | \ dfrac {x} {x + 1} \ bigg | = 5t + K [/ matemáticas]

donde [matemáticas] K = 5C [/ matemáticas]

Usando la condición inicial [matemáticas] x (0) = – 3 [/ matemáticas]

[matemáticas] K = \ ln \ dfrac {-3} {- 2} = \ ln \ dfrac {3} {2} [/ matemáticas]


[matemáticas] \ ln \ bigg | \ dfrac {x} {x + 1} \ bigg | = 5t + \ ln \ dfrac {3} {2} [/ matemáticas]

[matemáticas] \ implica \ ln \ bigg | \ dfrac {2x} {3 (x + 1)} \ bigg | = 5t [/ matemáticas]

[matemáticas] \ implica \ dfrac {2x} {3 (x + 1)} = e ^ {5t} [/ matemáticas]

[matemáticas] \ implica 2x = 3xe ^ {5t} + 3e ^ {5t} [/ matemáticas]

[matemáticas] \ implica x (2–3e ^ {5t}) = 3e ^ {5t} [/ matemáticas]

[matemáticas] \ implica x (t) = \ dfrac {3e ^ {5t}} {2–3e ^ {5t}} [/ matemáticas]

Estabas fuera de camino tratando de sustituir de nuevo en la misma ecuación. ¿Sabes cuál es la función tangente hiperbólica inversa? ¿Sabes cuál es el lado derecho de la ecuación integral inicial? Eso y álgebra es todo lo que necesitas para aislar x.

El primer paso es multiplicar ambos lados por – 5/2. El siguiente paso requiere que conozca la definición de [matemática] arctanh (x), tanh (x). [/matemáticas]