1answer.
Ask question
Login Signup
Ask question
All categories
  • English
  • Mathematics
  • Social Studies
  • Business
  • History
  • Health
  • Geography
  • Biology
  • Physics
  • Chemistry
  • Computers and Technology
  • Arts
  • World Languages
  • Spanish
  • French
  • German
  • Advanced Placement (AP)
  • SAT
  • Medicine
  • Law
  • Engineering
MissTica
3 years ago
12

Reduce the following differential equation to first-order and solve it. ​

Mathematics
1 answer:
Kryger [21]3 years ago
4 0

Given that <em>y</em>₁<em>(x)</em> = <em>x</em> is a solution to the given second-order ODE, assume a second solution of the form

<em>y</em>₂<em>(x)</em> = <em>y</em>₁<em>(x)</em> <em>v(x)</em> = <em>x</em> <em>v(x)</em>

Take the first two derivatives and substitute this solution into the ODE:

<em>y</em>₂ = <em>x</em> <em>v</em>

<em>y</em>₂<em>'</em> = <em>x</em> <em>v'</em> + <em>v</em>

<em>y</em>₂<em>''</em> = (<em>x</em> <em>v''</em> + <em>v' </em>) + <em>v'</em> = <em>x</em> <em>v''</em> + 2 <em>v'</em>

→   (1 - <em>x</em> ²) <em>y</em>₂<em>''</em> - 2 <em>x y</em>₂<em>'</em> + 2 <em>y</em>₂ = 0

→   (1 - <em>x</em> ²) (<em>x</em> <em>v''</em> + 2 <em>v'</em> ) - 2 <em>x </em>(<em>x</em> <em>v'</em> + <em>v</em>) + 2 <em>x v</em> = 0

→   (<em>x</em> - <em>x</em> ³) <em>v''</em> + (2 - 4 <em>x</em> ²) <em>v'</em> = 0

Next, reduce the order by substituting <em>w(x)</em> = <em>v'(x)</em> and <em>w'(x)</em> = <em>v''(x)</em> :

→   (<em>x</em> - <em>x</em> ³) <em>w'</em> + (2 - 4 <em>x</em> ²) <em>w</em> = 0

and now you have a linear equation in <em>w</em>. Solve for <em>w(x)</em> however you like; I'll just separate variables.

Write <em>w'(x)</em> = d<em>w</em>/d<em>x</em>, then separate variables as

(<em>x</em> - <em>x</em> ³) d<em>w</em>/d<em>x</em> + (2 - 4 <em>x</em> ²) <em>w</em> = 0

(<em>x</em> - <em>x</em> ³) d<em>w</em>/d<em>x</em> = (4<em>x</em> ² - 2) <em>w</em>

d<em>w</em>/<em>w</em> = (4<em>x</em> ² - 2) / (<em>x</em> - <em>x</em> ³) d<em>x</em>

Integrate both sides:

∫ d<em>w</em>/<em>w</em> = (4<em>x</em> ² - 2) / (<em>x</em> - <em>x</em> ³) d<em>x</em>

ln|<em>w</em>| = ∫ (4<em>x</em> ² - 2) / (<em>x</em> - <em>x</em> ³) d<em>x</em>

<em />

For the remaining integral, expand the integrand into partial fractions.

<em>x</em> - <em>x</em> ³ = <em>x</em> (1 - <em>x</em> ²) = <em>x</em> (1 - <em>x</em>) (1 + <em>x</em>)

→   (4<em>x</em> ² - 2) / (<em>x</em> - <em>x</em> ³) = <em>a </em>/<em>x</em> + <em>b </em>/ (1 - <em>x</em>) + <em>c </em>/ (1 + <em>x</em>)

→   4<em>x</em> ² - 2 = <em>a</em> (1 - <em>x</em> ²) + <em>b x</em> (1 + <em>x</em>) + <em>c</em> <em>x</em> (1 - <em>x</em>)

→   4<em>x</em> ² - 2 = (-<em>a</em> + <em>b</em> - <em>c</em>) <em>x</em> ² + (<em>b</em> + <em>c</em>) <em>x</em> + <em>a</em>

→   -<em>a</em> + <em>b</em> - <em>c</em> = 4, <em>b</em> + <em>c</em> = 0, <em>a</em> = -2

→   <em>a</em> = -2, <em>b</em> = 1, <em>c</em> = -1

→   (4<em>x</em> ² - 2) / (<em>x</em> - <em>x</em> ³) = -2/<em>x</em> + 1 / (1 - <em>x</em>) - 1 / (1 + <em>x</em>)

Then

ln|<em>w</em>| = ∫ (-2/<em>x</em> + 1 / (1 - <em>x</em>) - 1 / (1 + <em>x</em>)) d<em>x</em>

ln|<em>w</em>| = -2 ln|<em>x</em>| - ln|1 - <em>x</em>| - ln|1 + <em>x</em>| + <em>C</em>

ln|<em>w</em>| = -ln|<em>x</em> ² (1 - <em>x</em> ²)| + <em>C</em>

exp(ln|<em>w</em>|) = exp(-ln|<em>x</em> ² (1 - <em>x</em> ²)| + <em>C </em>)

<em>w</em> = <em>C</em> / (<em>x</em> ² (1 - <em>x</em> ²))

<em>v'</em> = <em>C</em> / (<em>x</em> ² (1 - <em>x</em> ²))

Solve for <em>v(x)</em> by integrating both sides, expanding the right side into partial fractions again:

<em>x</em> ² (1 - <em>x</em> ²) = <em>x</em> ² (1 - <em>x</em>) (1 + <em>x</em>)

→   1 / (<em>x</em> ² (1 - <em>x</em> ²)) = <em>a</em> / <em>x</em> + <em>b</em> / <em>x</em> ² + <em>c</em> / (1 - <em>x</em>) + <em>d</em> / (1 + <em>x</em>)

→   1 = <em>a x </em>(1 - <em>x</em> ²) + <em>b</em> (1 - <em>x</em> ²) + <em>c</em> <em>x</em> ² (1 + <em>x</em>) + <em>d</em> <em>x </em>² (1 - <em>x</em>)

→   1 = (-<em>a</em> + <em>c</em> - <em>d</em>) <em>x</em> ³ + (-<em>b</em> + <em>c</em> + <em>d</em>) <em>x</em> ² + <em>a</em> <em>x</em> + <em>b</em>

→   -<em>a</em> + <em>c</em> - <em>d</em> = 0, -<em>b</em> + <em>c</em> + <em>d</em> = 0, <em>a</em> = 0, <em>b</em> = 1

→   <em>a</em> = 0, <em>b</em> = 1, <em>c</em> = 1/2, <em>d</em> = 1/2

→   1 / (<em>x</em> ² (1 - <em>x</em> ²)) = 1/<em>x</em> ² + 1/2 (1 / (1 - <em>x</em>) + 1 / (1 + <em>x</em>))

d<em>v</em>/d<em>x</em> = <em>C</em> (1/<em>x</em> ² + 1/2 (1 / (1 - <em>x</em>) + 1 / (1 + <em>x</em>)))

d<em>v</em> = <em>C</em> (1/<em>x</em> ² + 1/2 (1 / (1 - <em>x</em>) + 1 / (1 + <em>x</em>))) d<em>x</em>

Integrate both sides:

∫ d<em>v</em> = ∫ <em>C</em> (1 / <em>x</em> ² + 1/2 (1 / (1 - <em>x</em>) + 1 / (1 + <em>x</em>))) d<em>x</em>

<em>v</em> = <em>C</em>₁ (-1/<em>x</em> - 1/2 ln|1 - <em>x</em>| + 1/2 ln|1 + <em>x</em>|) + <em>C</em>₂

<em>v</em> = <em>C</em>₁ (1/2 ln|(1 + <em>x</em>) / (1 - <em>x</em>)| - 1/<em>x</em>) + <em>C</em>₂

Solve for <em>y</em>₂<em>(x)</em> by multiplying both sides by <em>x</em> :

<em>y</em>₂ = <em>C</em>₁ (1/2 <em>x </em>ln|(1 + <em>x</em>) / (1 - <em>x</em>)| - 1) + <em>C</em>₂ <em>x</em>

Now, <em>y</em>₁<em>(x)</em> = <em>x</em>, so we can omit the last term from the second solution, giving us

<em>y</em>₂<em>(x)</em> = <em>C</em> (1/2 <em>x </em>ln|(1 + <em>x</em>) / (1 - <em>x</em>)| - 1)

You might be interested in
How many solutions does the equation have?<br> p−2(4−3p)=2p+7<br> A.0<br> B.1<br> C. Infinitely many
spin [16.1K]
P-8+6p=2p+7
7p-8=2p+7
5p=15
p=3
the answer is 1
7 0
4 years ago
Read 2 more answers
Find the next four terms of the sequence 125, 25, 5, 1,
Lina20 [59]
I think the answer is D sorry if I’m wrong
6 0
3 years ago
Read 2 more answers
Multiply integers 4(-7)
kondaur [170]
The answer is -28

work:
multiply
5 0
3 years ago
Read 2 more answers
Find the exact values of sin A and cos A. Write fractions in lowest terms. A right triangle ABC is shown. Leg AC has length 24,
svetoff [14.1K]
Sin A = 32/40 = 4/5

cos A = 24/40 = 6/10 = 3/5
3 0
4 years ago
Read 2 more answers
A school district has 2 teaching positions to fill and there are 8 applicants to choose from. How many different possibilities a
Olenka [21]

I think the answer would be 56. Bc the first job has 8 different people who could get the job and then once someone is chosen for that slot the next teaching position only has 7 candidates. So you would take 8*7 which equals 56.

6 0
3 years ago
Read 2 more answers
Other questions:
  • Two birds sit at the top of two different trees. The distance between the first bird and a bird watcher on the ground is 29.7 fe
    6·2 answers
  • Andrea enjoys running. She keeps a daily journal to record how far she runs. She wears a pedometer to calculate the exact distan
    13·2 answers
  • I need help please and thanks
    11·1 answer
  • Simplify. If the expression does not represent a real number, say so.<br><br> -8^2/3
    6·2 answers
  • PleaseI really need help on this please
    10·2 answers
  • A balloon takes 1 minute to rise 60 feet in the air. Each minute after that, the balloon rises 40% as far as it did the previous
    5·2 answers
  • Help please and thank you
    6·2 answers
  • A rectangular billboard is 9.35 meters wide and 6.82 meters tall. What is the perimeter of the billboard in meters?
    14·1 answer
  • Multiply by 4, then divide by 2 First term: 60​
    5·1 answer
  • Answer pls and ill give you brainlliest
    15·2 answers
Add answer
Login
Not registered? Fast signup
Signup
Login Signup
Ask question!