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Leçon 4

Second ordre, le cas Δ<0\Delta < 0 et les oscillations

Vidéo 4 : Delta négatif, les oscillations · 4 min 01 s · sous-titres en français

Le cours écrit

4.1 L'équation y′′+ω2y=0y'' + \omega^2 y = 0

Soit ω\omega un réel strictement positif. L'équation caractéristique r2+ω2=0r^2 + \omega^2 = 0 n'a pas de racine réelle. Pourtant, cos⁡(ωx)\cos(\omega x) et sin⁡(ωx)\sin(\omega x) sont solutions : (cos⁡(ωx))′′=−ω2cos⁡(ωx),(sin⁡(ωx))′′=−ω2sin⁡(ωx).\big(\cos(\omega x)\big)'' = -\omega^2\cos(\omega x), \qquad \big(\sin(\omega x)\big)'' = -\omega^2\sin(\omega x).

Théorème 6 (admis). Les solutions de y′′+ω2y=0y'' + \omega^2 y = 0 sont les fonctions x⟼λcos⁡(ωx)+μsin⁡(ωx),λ,μ∈R.x \longmapsto \lambda\cos(\omega x) + \mu\sin(\omega x), \qquad \lambda, \mu \in \mathbb{R}. Elles sont périodiques, de période 2πω\dfrac{2\pi}{\omega} : ce sont des oscillations.

Exemple 14. Trouver la solution ff de y′′+4y=0y'' + 4y = 0 telle que f(0)=1f(0) = 1 et f′(0)=2f'(0) = 2.

f(x)=λcos⁡2x+μsin⁡2xf(x) = \lambda\cos 2x + \mu\sin 2x et f′(x)=−2λsin⁡2x+2μcos⁡2xf'(x) = -2\lambda\sin 2x + 2\mu\cos 2x. f(0)=λ=1f(0) = \lambda = 1 et f′(0)=2μ=2f'(0) = 2\mu = 2, donc f(x)=cos⁡2x+sin⁡2x.f(x) = \cos 2x + \sin 2x. Avec la formule d'addition (Première), 2cos⁡ ⁣(2x−π4)=2(cos⁡2x×22+sin⁡2x×22)=f(x)\sqrt2\cos\!\left(2x - \dfrac{\pi}{4}\right) = \sqrt2\left(\cos 2x \times \dfrac{\sqrt2}{2} + \sin 2x \times \dfrac{\sqrt2}{2}\right) = f(x). L'oscillation a pour amplitude 2\sqrt2 et pour période π\pi.

4.2 Le cas général Δ<0\Delta < 0

Théorème 7 (admis). On considère ay′′+by′+cy=0ay'' + by' + cy = 0 avec a>0a > 0 (sinon, on multiplie l'équation par −1-1). Si Δ=b2−4ac<0\Delta = b^2 - 4ac < 0, on pose α=−b2a,β=−Δ2a.\alpha = -\frac{b}{2a}, \qquad \beta = \frac{\sqrt{-\Delta}}{2a}. Les solutions sont les fonctions x⟼eαx(λcos⁡(βx)+μsin⁡(βx)),λ,μ∈R.x \longmapsto e^{\alpha x}\big(\lambda\cos(\beta x) + \mu\sin(\beta x)\big), \qquad \lambda, \mu \in \mathbb{R}.

Pour b=0b = 0, on retrouve le théorème 6, avec α=0\alpha = 0 et β=ω\beta = \omega. On pourra vérifier sur un exemple que eαxcos⁡(βx)e^{\alpha x}\cos(\beta x) est bien solution (exercice 7). Au chapitre 7, on verra que α+iβ\alpha + i\beta et α−iβ\alpha - i\beta sont les racines complexes de l'équation caractéristique.

Exemple 15. Trouver la solution ff de y′′+2y′+5y=0y'' + 2y' + 5y = 0 telle que f(0)=0f(0) = 0 et f′(0)=2f'(0) = 2.

Δ=4−20=−16\Delta = 4 - 20 = -16, donc α=−1\alpha = -1 et β=162=2\beta = \dfrac{\sqrt{16}}{2} = 2. Les solutions sont e−x(λcos⁡2x+μsin⁡2x)e^{-x}(\lambda\cos 2x + \mu\sin 2x). f(0)=λ=0f(0) = \lambda = 0, donc f(x)=μe−xsin⁡2xf(x) = \mu e^{-x}\sin 2x et f′(x)=μe−x(2cos⁡2x−sin⁡2x)f'(x) = \mu e^{-x}(2\cos 2x - \sin 2x). f′(0)=2μ=2f'(0) = 2\mu = 2 donne μ=1\mu = 1 : f(x)=e−xsin⁡2x.f(x) = e^{-x}\sin 2x. Comme ∣sin⁡2x∣≤1|\sin 2x| \leq 1, on a −e−x≤f(x)≤e−x-e^{-x} \leq f(x) \leq e^{-x} : la courbe oscille entre celles de −e−x-e^{-x} et de e−xe^{-x}, et f(x)→0f(x) \to 0 en +∞+\infty (théorème des gendarmes). C'est une oscillation amortie.

4.3 Un modèle : le ressort

Modèle simplifié, données inventées. Un solide accroché à un ressort est écarté de 22 cm de sa position d'équilibre, puis lâché sans vitesse. On note x(t)x(t) sa position en cm à l'instant tt (en secondes). Aucune loi de physique n'est à connaître : l'équation est donnée.

Exemple 16.

  • Sans frottement, x′′+16x=0x'' + 16x = 0, avec x(0)=2x(0) = 2 et x′(0)=0x'(0) = 0. On trouve x(t)=2cos⁡4tx(t) = 2\cos 4t : le solide oscille indéfiniment, avec une amplitude de 22 cm et une période de 2π4=π2≈1,57\dfrac{2\pi}{4} = \dfrac{\pi}{2} \approx 1{,}57 s.
  • Avec frottement, x′′+0,4 x′+16,04 x=0x'' + 0{,}4\,x' + 16{,}04\,x = 0, mêmes conditions. Δ=0,16−64,16=−64\Delta = 0{,}16 - 64{,}16 = -64, donc α=−0,2\alpha = -0{,}2 et β=4\beta = 4. On trouve x(t)=e−0,2t(2cos⁡4t+0,1sin⁡4t).x(t) = e^{-0{,}2t}\big(2\cos 4t + 0{,}1\sin 4t\big). Les oscillations s'amortissent : x(t)→0x(t) \to 0 quand t→+∞t \to +\infty.

4.4 Bilan : les trois cas et les phénomènes

Discriminant Solutions de ay′′+by′+cy=0ay'' + by' + cy = 0 Comportement, si aa, bb, cc sont strictement positifs
Δ>0\Delta > 0 λer1x+μer2x\lambda e^{r_1 x} + \mu e^{r_2 x} retour à 00 sans osciller
Δ=0\Delta = 0 (λx+μ) er0x(\lambda x + \mu)\,e^{r_0 x} retour à 00 sans osciller
Δ<0\Delta < 0 eαx(λcos⁡βx+μsin⁡βx)e^{\alpha x}\big(\lambda\cos\beta x + \mu\sin\beta x\big) oscillations amorties

Quand aa, bb et cc sont strictement positifs, comme dans les modèles amortis, les racines réelles sont négatives (leur somme −ba-\frac{b}{a} est négative et leur produit ca\frac{c}{a} positif) et α=−b2a\alpha = -\frac{b}{2a} est négatif : toutes les solutions tendent vers 00. Si b=0b = 0 et ca>0\dfrac{c}{a} > 0, il n'y a pas d'amortissement : les oscillations sont entretenues (théorème 6).

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Exercices 7 et 8

  • Exercice 7 : oscillations
  • Exercice 8 : un ressort

Exercices du chapitre (PDF, 506 Ko)

Corrigés

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Corrigés du chapitre (PDF, 665 Ko)

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