韻晴 發問時間: 科學數學 · 2 個月前

工程數學求解 y"+2y'+y=(12x^2+6x)e^-x?

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    Lv 7
    2 個月前

    y"+2y'+y=(12x^2+6x)e^(-x)

    對應的齊次方程式:

    y" + 2y' + y = 0

    即 (D^2+2D+I)y = 0 或 (D+I)^2 y = 0

    其解

    y_h = (C1 x + C2)e^(-x)

    因此, 原方程式一特解為

    y = y_p = (A x^4 + B x^3 + C x^2)e^(-x)

    y' = [-(Ax^4+B x^3+Cx^2)+(4Ax^3+3Bx^2+2Cx)]e^(-x)

        = [-Ax^4+(4A-B)x^3+(3B-C)x^2+2Cx]e^(-x)

    y" = {-[-Ax^4+(4A-B)x^3+(3B-C)x^2+2Cx]

           +[-4Ax^3+3(4A-B)x^2+2(3B-C)x+2C]}e^(-x)

       = [Ax^4+(-8A+B)x^3+(12A-6B+C)x^2+(6B-4C)x+2C]e^(-x)

    所以, 在 x^4, x^3 項抵消後

      y"+2y'+y

        = {[(12A-6B+C)x^2+(6B-4C)x+2C]

                  +2[(3B-C)x^2+2Cx] + Cx^2}e^(-x)

        = (12Ax^2+6Bx+2C)e^(-x)

        = (12x^2+6x)e^(-x)

    ∴ A = 1, B = 1, C = 0

    即 y_p = (x^4+x^3)e^(-x)

    ∴ y = y_h + y_p

         = (x^4 + x^3 + C1 x + C2)e^(-x)

    [另法]

    原方程式以算子表示: 

        (D+I)^2 y  = (12x^2+6x)e^(-x)

    令 z = (D+I)y, 則得

        (D+I)z = (12x^2+6x)e^(-x)

        z = (D+I)^(-1) (12x^2+6x)e^(-x)

           = e^(-x) ∫ e^x (12x^2+6x)e^(-x) dx

           = e^(-x) ∫ (12x^2+6x) dx

           = (4x^3+3x^2+C1)e^(-x)

           = (D+I)y

    ∴ y = (D+I)^(-1) (4x^3+3x^2+C1)e^(-x)

          = e^(-x) ∫ e^x (4x^3+3x^2+C1)e^(-x) dx

          = (x^4 +x^3 +C1 x +C2)e^(-x)

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