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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)

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Suppose that Y takes on the values {0, 1, 2, 3}, each with probability 1/4. Take a random sample of 5 numbers from this distribu
arsen [322]

Answer:

The total number of samples that give this outcome is 5.

Step-by-step explanation:

Since Y takes values in {0,1,2,3}, For us to have that Y_1+Y_2+Y_3+Y_4+Y_5=1 implies that all of them are zero but one. The one that is non-zero necessarily is equal to 1. To calculate the number of samples that give this outcome is equivalent to counting the total number of ways in which we can pick the i-index such that Y_i=1. Note that in this case we can either choose Y1 to be 1, Y2 to be 1 and so on. So, the total number of samples that give this outcome is 5.

8 0
3 years ago
2x + y = 3 x - 2y = -1 If equation two is multiplied by -2 and then the equations are added, the result is what?
photoshop1234 [79]

Answer:

  1. 2x + y
  2. 3 x - 2y
  3. -1

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5 0
3 years ago
Pls answer the pic below
Mice21 [21]

Answer:

B. 6

Step-by-step explanation:

the median is the middle of the set of numbers so the median of crunchy pb is 51 and the median of creamy is 45 so the difference between them is 51-45= 6

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X-1/2=15 1/4 whats x and show work
ikadub [295]
X-1/2=15 1/4

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61/4

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x = 63/4 
7 0
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You play a game that involves drawing two numbers from a hat. There are 25 pieces of paper numbered 1 to 25 in the hat. Each num
Sergeu [11.5K]

Answer:so it’s 5

Step-by-step explanation:

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3 0
3 years ago
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