Friday, May 16, 2025

Solution To Variation of Parameters Differential Equation

 Problem:  

Solve using variation of parameters:

y"  - y  =  x 2


Solution:

 The complementary function is:

y c  = c 1 e x +  c 2  e -x

Let  c 1 ,  c 2    be functions of x, i.e.

y p    = c 1 (x) e x +  c 2 (x)  e -x

Differentiate to obtain:

y'p  =  c 1 e x -  c 2  e -x  +  c '1 e x +  c' 2  e -x

Impose the condition that: 

    c '1 e x +  c' 2  e -x  = 0

With this condition imposed on  y'p  differentiate again to get:

y''p  =  c 1 e x +  c 2  e -x    +  c '1 e x -  c' 2  e -x

Substitute eqns, for  y''p  and y p    back into original complementary function eqn. to get:

c 1 e x +  c 2  e -x  +  c '1 e x -  c' 2  e -x   -  c 1 e x -  c 2  e -x   =  x 2

Simplifying:  

 c '1 e x -  c' 2  e -x   = x 2

We now have two equations, in c '1   and c '2  that form a linear system to be solved, i.e.

1) c '1 e x +  c' 2  e -x  = 0

2)  c '1 e x -  c' 2  e -x   = x 2

We add these two equations to obtain:

2 c '1 e x = x 2

Whence:

d c 1 / dx   =  ½ x 2 e -x 

Or:  d c 1  =  ½ x 2 e -x dx

Integrate to get:

c 1  =  - ( 1  +   x  +  ½ x 2) e -x 

from eqn.  (1) in the linear pair we get:

 c' 2    =  -  c' 1  e 2x  =       -  ½ x 2 e x

and:

c 2  =  - ( 1  +   x  +  ½ x 2) e x 

The general solution is then:

y    =  

(c 1  +   x  -  ½ x 2) e x    + (c 2  -  x  -  ½ x 2) e -x


No comments: