Integro Differential 199E9A
1. Мәселені айқындау: Берілген дифференциалдық теңдеу
$$y'(x) = 4 \int_0^x (t - x) y(t) \, dt + 3 \cos x$$
мұндағы $y'(x)$ — $y(x)$ функциясының туындысы, ал интегралдың шегі 0-ден $x$-ке дейін.
2. Теңдеуді шешу үшін алдымен интегралды қарастырайық. Интегралда $(t - x) y(t)$ бар, мұндағы $t$ — интеграл айнымалысы, ал $x$ — параметр.
3. Теңдеуді дифференциалдық теңдеуге келтіру үшін интегралды дифференциалдау керек. Теңдеуді екі жақтан $x$ бойынша дифференциалдаймыз:
$$y''(x) = 4 \frac{d}{dx} \int_0^x (t - x) y(t) \, dt + 3 \frac{d}{dx} \cos x$$
4. Лейбниц ережесін қолданамыз:
$$\frac{d}{dx} \int_0^x f(t,x) \, dt = f(x,x) + \int_0^x \frac{\partial}{\partial x} f(t,x) \, dt$$
мұндағы $f(t,x) = (t - x) y(t)$.
5. Есептейміз:
$$f(x,x) = (x - x) y(x) = 0$$
$$\frac{\partial}{\partial x} f(t,x) = \frac{\partial}{\partial x} ((t - x) y(t)) = - y(t)$$
6. Сондықтан:
$$\frac{d}{dx} \int_0^x (t - x) y(t) \, dt = 0 + \int_0^x (- y(t)) \, dt = - \int_0^x y(t) \, dt$$
7. Сонымен, теңдеу:
$$y''(x) = 4 \left(- \int_0^x y(t) \, dt \right) - 3 \sin x = -4 \int_0^x y(t) \, dt - 3 \sin x$$
8. Енді $z(x) = \int_0^x y(t) \, dt$ деп алайық. Сонда $z'(x) = y(x)$ және $z''(x) = y'(x)$.
9. Алғашқы теңдеуден $y'(x) = 4 \int_0^x (t - x) y(t) \, dt + 3 \cos x$ екенін білеміз.
10. Бірақ біз $y''(x)$-ті $z$ арқылы жаздық, сондықтан:
$$y''(x) = -4 z(x) - 3 \sin x$$
11. $y(x) = z'(x)$ және $y''(x) = z''(x)$ болғандықтан:
$$z''(x) = -4 z(x) - 3 \sin x$$
12. Бұл екінші ретті сызықтық дифференциалдық теңдеу, оны шешеміз:
Гомогендік теңдеу:
$$z'' + 4 z = 0$$
характеристикалық теңдеу:
$$r^2 + 4 = 0 \Rightarrow r = \pm 2i$$
13. Гомогендік шешім:
$$z_h = C_1 \cos 2x + C_2 \sin 2x$$
14. Ерекше шешімді табу үшін, оң жақтағы $-3 \sin x$ функциясына сәйкес түрін аламыз:
$$z_p = A \cos x + B \sin x$$
15. $z_p$-ны теңдеуге қойып, коэффициенттерді анықтаймыз:
$$z_p'' + 4 z_p = -3 \sin x$$
$$-A \cos x - B \sin x + 4 A \cos x + 4 B \sin x = -3 \sin x$$
$$ (4A - A) \cos x + (4B - B) \sin x = -3 \sin x$$
$$3A \cos x + 3B \sin x = -3 \sin x$$
16. Коэффициенттерді теңестіреміз:
$$3A = 0 \Rightarrow A = 0$$
$$3B = -3 \Rightarrow B = -1$$
17. Сондықтан:
$$z_p = - \sin x$$
18. Жалпы шешім:
$$z = C_1 \cos 2x + C_2 \sin 2x - \sin x$$
19. $y(x) = z'(x)$ болғандықтан:
$$y = z' = -2 C_1 \sin 2x + 2 C_2 \cos 2x - \cos x$$
20. Қорытынды: Берілген теңдеудің жалпы шешімі
$$\boxed{y(x) = -2 C_1 \sin 2x + 2 C_2 \cos 2x - \cos x}$$
мұндағы $C_1$ және $C_2$ — еркін тұрақтылар.