Une équation différentielle est une équation dont l'inconnue est une fonction, notée y, et qui relie y à ses dérivées y′, y′′.
Par exemple, y′=2y est une équation différentielle. Une solution sur R est une fonction f dérivable sur R telle que f′(x)=2f(x) pour tout réel x. Résoudre l'équation, c'est trouver toutes ses solutions.
Exemple 1. On considère l'équation y′=2y.
f(x)=e2x est solution : f′(x)=2e2x=2f(x).
g(x)=3e2x est aussi solution : g′(x)=6e2x=2g(x).
h(x)=x2 n'est pas solution : h′(x)=2x, alors que 2h(x)=2x2, et ces deux nombres sont différents pour x=1.
Une équation différentielle a en général une infinité de solutions. On verra qu'une condition initiale, comme f(0)=1, permet d'en choisir une seule.
Vocabulaire. Une équation comme y′+3y=0 ou y′′−2y′+y=0, dont le second membre est nul, est dite homogène (ou « sans second membre »). Une équation comme y′+3y=6 est une équation avec second membre. Le programme se limite aux équations linéaires à coefficients constants du premier et du second ordre.
1.2 Le théorème
Théorème 1. Soit a un réel. Les solutions sur R de l'équation y′=ay sont les fonctions
x⟼λeax,λ∈R.
Démonstration.
Ces fonctions sont solutions. Si f(x)=λeax, alors f′(x)=λaeax=af(x).
Il n'y en a pas d'autres. Soit f une solution. On pose g(x)=f(x)e−ax. Alors
g′(x)=f′(x)e−ax−af(x)e−ax=(f′(x)−af(x))e−ax=0.
La dérivée de g est nulle sur l'intervalle R, donc g est constante : g(x)=λ. Ainsi f(x)=λeax.
L'équation ay′+by=0. Si a=0, elle s'écrit y′=−aby. Ses solutions sont donc les fonctions x⟼λe−abx.
Attention au signe.y′+3y=0 s'écrit y′=−3y : les solutions sont λe−3x, et non λe3x.
1.3 Condition initiale
Théorème 2. Soit x0 et y0 deux réels. L'équation y′=ay admet une solution et une seulef telle que f(x0)=y0. C'est la fonction
f(x)=y0ea(x−x0).
Démonstration. Les solutions sont les fonctions λeax. La condition λeax0=y0 donne une seule valeur, λ=y0e−ax0.
Graphiquement, par chaque point du plan passe une seule courbe solution : deux courbes solutions distinctes ne se coupent jamais.
Exemple 2. Résoudre y′=−3y, puis trouver la solution f telle que f(0)=2.
Les solutions sont les fonctions x⟼λe−3x. La condition f(0)=λ=2 donne f(x)=2e−3x.
Exemple 3. Trouver la solution f de 2y′+y=0 telle que f(2)=1.
L'équation s'écrit y′=−21y. Les solutions sont x⟼λe−2x. La condition f(2)=λe−1=1 donne λ=e, donc
f(x)=e×e−2x=e1−2x.
Remarque. Une solution non nulle x⟼λeax ne s'annule jamais et garde le signe de λ. Si aλ>0, elle est strictement croissante ; si aλ<0, elle est strictement décroissante.
1.4 Un modèle : la croissance d'une population
Modèle simplifié, données inventées. Une culture contient 1000 bactéries à l'instant t=0 (t en heures). On admet que le nombre N(t) de bactéries vérifie N′(t)=0,5N(t) : la vitesse de croissance est proportionnelle à la population.
Exemple 4.
D'après le théorème 2, N(t)=1000e0,5t.
Temps de doublement.N(t)=2000⟺e0,5t=2⟺0,5t=ln2⟺t=2ln2≈1,386. La population double en 1 h 23 min environ, et elle redouble ensuite à chaque nouvelle période de même durée.
On considère une équation avec second membre (E) : ay′+by=g(x), où a=0, et son équation homogène associée(E0) : ay′+by=0.
Théorème 3. Si yp est une solution particulière de (E), alors les solutions de (E) sont les fonctions
y=yp+y0,ouˋy0 est une solution quelconque de (E0).
Démonstration. Pour toute fonction y dérivable :
a(y−yp)′+b(y−yp)=(ay′+by)−(ayp′+byp)=(ay′+by)−g.
Donc y est solution de (E) si et seulement si y−yp est solution de (E0).
On retient : solution générale de (E) = une solution particulière + la solution générale de (E0).
2.2 Second membre constant : y′=ay+b
Si a=0, la fonction constante yp=−ab est solution, car sa dérivée est nulle et a×(−ab)+b=0. Les solutions de y′=ay+b sont donc les fonctions
x⟼λeax−ab,λ∈R.Méthode pratique : on cherche la solution constante en annulant y′.
Exemple 5. Résoudre y′+2y=6, puis trouver la solution f telle que f(0)=0.
Équation homogène : y′=−2y, de solutions λe−2x.
Solution constante : avec y′=0, il reste 2y=6, donc yp=3.
Solutions : y=λe−2x+3, λ∈R.
Condition initiale : f(0)=λ+3=0, donc λ=−3 et f(x)=3−3e−2x.
Comme e−2x→0 en +∞, toutes les solutions tendent vers 3 : la solution constante est l'état d'équilibre.
Exemple 6 (le verre de thé).Modèle simplifié, données inventées. Un verre de thé est servi à 90°C dans une pièce à 30°C. On admet que sa température θ(t), t en minutes, vérifie
θ′(t)=−0,1(θ(t)−30),θ(0)=90.
L'équation s'écrit θ′+0,1θ=3. La solution constante est 30, donc θ(t)=λe−0,1t+30.
θ(0)=λ+30=90 donne λ=60 : θ(t)=30+60e−0,1t.
Quand le thé est-il à 50°C ?30+60e−0,1t=50⟺e−0,1t=31⟺t=10ln3≈11 minutes.
En +∞, θ(t)→30 : le thé finit à la température de la pièce.
2.3 Autres seconds membres, avec une indication
Quand le second membre n'est pas constant, l'énoncé indique la forme de la solution particulière à chercher. On remplace cette forme dans l'équation et on identifie les coefficients.
Exemple 7. Résoudre y′−2y=4x−2, en cherchant une solution particulière affine.
On pose yp(x)=mx+p. Alors yp′−2yp=m−2mx−2p. On veut, pour tout x :
−2mx+(m−2p)=4x−2.
Par identification, −2m=4 et m−2p=−2, donc m=−2 et p=0 : yp(x)=−2x.
L'équation homogène y′=2y a pour solutions λe2x. Les solutions sont les fonctions x⟼λe2x−2x.
Exemple 8. Résoudre y′+y=2cosx, en cherchant une solution particulière de la forme yp(x)=acosx+bsinx.
yp′(x)=−asinx+bcosx, donc yp′+yp=(a+b)cosx+(b−a)sinx. On veut (a+b)cosx+(b−a)sinx=2cosx pour tout x.
Avec x=0 puis x=2π, on obtient a+b=2 et b−a=0, donc a=b=1 : yp(x)=cosx+sinx.
Les solutions sont les fonctions x⟼λe−x+cosx+sinx.
2.4 La méthode en quatre étapes
Résoudre l'équation homogène (E0).
Trouver une solution particulière yp de (E) : constante si le second membre est constant, sinon de la forme indiquée.
Écrire la solution générale : y=yp+λe−abx.
Utiliser la condition initiale sur cette solution générale, pour trouver λ.
Leçon 3 : Second ordre, l'équation caractéristique
On étudie l'équation homogène du second ordre
(E0):ay′′+by′+cy=0,a,b,c reˊels,a=0.
Une solution est une fonction f deux fois dérivable sur R telle que af′′+bf′+cf=0.
Linéarité. Si f et g sont solutions de (E0), alors λf+μg est solution pour tous réels λ et μ : il suffit de développer a(λf+μg)′′+b(λf+μg)′+c(λf+μg).
On cherche des solutions exponentielles. Pour f(x)=erx, on a f′(x)=rerx et f′′(x)=r2erx, donc
af′′(x)+bf′(x)+cf(x)=(ar2+br+c)erx.
Comme erx=0 : x⟼erx est solution si et seulement si ar2+br+c=0.
Définition. L'équation ar2+br+c=0, d'inconnue r, est l'équation caractéristique de (E0). On la lit directement sur l'équation : y′′ devient r2, y′ devient r, y devient 1.
3.2 Le théorème
Théorème 4 (admis). Soit Δ=b2−4ac le discriminant de l'équation caractéristique.
Discriminant
Racines
Solutions de (E0), avec λ, μ réels
Δ>0
deux racines réelles r1=r2
y=λer1x+μer2x
Δ=0
une racine double r0=−2ab
y=(λx+μ)er0x
Δ<0
pas de racine réelle
voir la leçon 4
Le programme admet que toutes les solutions sont de cette forme. On peut en revanche vérifier que les fonctions annoncées sont bien solutions.
Vérification pour Δ=0. Avec f(x)=xer0x : f′(x)=(1+r0x)er0x et f′′(x)=(2r0+r02x)er0x, d'où
af′′+bf′+cf=[x(ar02+br0+c)+(2ar0+b)]er0x=0,
car r0 est racine et 2ar0+b=0.
Exemple 9 (Δ>0). Résoudre y′′−3y′+2y=0.
Équation caractéristique : r2−3r+2=0, de racines 1 et 2. Solutions : y=λex+μe2x.
L'équation s'écrit y′′−4y=0 ; équation caractéristique r2−4=0, de racines 2 et −2. Solutions : y=λe2x+μe−2x. Plus généralement, pour ω>0, les solutions de y′′−ω2y=0 sont les fonctions λeωx+μe−ωx.
3.3 Conditions initiales
Théorème 5 (admis). Soit x0, y0, y1 trois réels. L'équation (E0) admet une solution et une seulef telle que f(x0)=y0 et f′(x0)=y1.
Il faut deux conditions, une sur f et une sur f′, car la solution générale contient deux constantes λ et μ.
Exemple 12. Trouver la solution f de y′′−3y′+2y=0 telle que f(0)=1 et f′(0)=0.
f(x)=λex+μe2x et f′(x)=λex+2μe2x. Les conditions donnent le système
λ+μ=1,λ+2μ=0,
d'où μ=−1 et λ=2 : f(x)=2ex−e2x.
Exemple 13. Trouver la solution f de y′′+2y′+y=0 telle que f(0)=2 et f′(0)=−1.
Racine double −1, donc f(x)=(λx+μ)e−x et f′(x)=(λ−λx−μ)e−x.
f(0)=μ=2 et f′(0)=λ−μ=−1, donc λ=1 : f(x)=(x+2)e−x.
Cette fonction décroît vers 0 sans osciller, puisque f′(x)=−(x+1)e−x<0 pour x>−1.
Leçon 4 : Second ordre, le cas
Δ<0
et les oscillations
Soit ω un réel strictement positif. L'équation caractéristique r2+ω2=0 n'a pas de racine réelle. Pourtant, cos(ωx) et sin(ωx) sont solutions :
(cos(ωx))′′=−ω2cos(ωx),(sin(ωx))′′=−ω2sin(ωx).
Théorème 6 (admis). Les solutions de y′′+ω2y=0 sont les fonctions
x⟼λcos(ωx)+μsin(ωx),λ,μ∈R.
Elles sont périodiques, de période ω2π : ce sont des oscillations.
Exemple 14. Trouver la solution f de y′′+4y=0 telle que f(0)=1 et f′(0)=2.
f(x)=λcos2x+μsin2x et f′(x)=−2λsin2x+2μcos2x. f(0)=λ=1 et f′(0)=2μ=2, donc
f(x)=cos2x+sin2x.
Avec la formule d'addition (Première), 2cos(2x−4π)=2(cos2x×22+sin2x×22)=f(x). L'oscillation a pour amplitude2 et pour périodeπ.
4.2 Le cas général Δ<0
Théorème 7 (admis). On considère ay′′+by′+cy=0 avec a>0 (sinon, on multiplie l'équation par −1). Si Δ=b2−4ac<0, on pose
α=−2ab,β=2a−Δ.
Les solutions sont les fonctions
x⟼eαx(λcos(βx)+μsin(βx)),λ,μ∈R.
Pour b=0, on retrouve le théorème 6, avec α=0 et β=ω. On pourra vérifier sur un exemple que eαxcos(βx) est bien solution (exercice 7). Au chapitre 7, on verra que α+iβ et α−iβ sont les racines complexes de l'équation caractéristique.
Exemple 15. Trouver la solution f de y′′+2y′+5y=0 telle que f(0)=0 et f′(0)=2.
Δ=4−20=−16, donc α=−1 et β=216=2. Les solutions sont e−x(λcos2x+μsin2x).
f(0)=λ=0, donc f(x)=μe−xsin2x et f′(x)=μe−x(2cos2x−sin2x). f′(0)=2μ=2 donne μ=1 :
f(x)=e−xsin2x.
Comme ∣sin2x∣≤1, on a −e−x≤f(x)≤e−x : la courbe oscille entre celles de −e−x et de e−x, et f(x)→0 en +∞ (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 2 cm de sa position d'équilibre, puis lâché sans vitesse. On note x(t) sa position en cm à l'instant t (en secondes). Aucune loi de physique n'est à connaître : l'équation est donnée.
Exemple 16.
Sans frottement, x′′+16x=0, avec x(0)=2 et x′(0)=0. On trouve x(t)=2cos4t : le solide oscille indéfiniment, avec une amplitude de 2 cm et une période de 42π=2π≈1,57 s.
Avec frottement, x′′+0,4x′+16,04x=0, mêmes conditions. Δ=0,16−64,16=−64, donc α=−0,2 et β=4. On trouve
x(t)=e−0,2t(2cos4t+0,1sin4t).
Les oscillations s'amortissent : x(t)→0 quand t→+∞.
4.4 Bilan : les trois cas et les phénomènes
Discriminant
Solutions de ay′′+by′+cy=0
Comportement, si a, b, c sont strictement positifs
Δ>0
λer1x+μer2x
retour à 0 sans osciller
Δ=0
(λx+μ)er0x
retour à 0 sans osciller
Δ<0
eαx(λcosβx+μsinβx)
oscillations amorties
Quand a, b et c sont strictement positifs, comme dans les modèles amortis, les racines réelles sont négatives (leur somme −ab est négative et leur produit ac positif) et α=−2ab est négatif : toutes les solutions tendent vers 0. Si b=0 et ac>0, il n'y a pas d'amortissement : les oscillations sont entretenues (théorème 6).
On considère (E) : ay′′+by′+cy=g(x) et l'équation homogène associée (E0) : ay′′+by′+cy=0.
Théorème 8. Si yp est une solution particulière de (E), les solutions de (E) sont les fonctions y=yp+y0, où y0 est une solution quelconque de (E0).
Démonstration. Comme à la leçon 2 : a(y−yp)′′+b(y−yp)′+c(y−yp)=(ay′′+by′+cy)−g.
5.2 La méthode
Résoudre (E0) avec l'équation caractéristique.
Trouver une solution particulière yp : constante si le second membre est constant, sinon de la forme indiquée par l'énoncé.
Écrire la solution générale y=yp+y0.
Utiliser les conditions initiales sur la solution générale complète.
Attention au piège de l'étape 4. Si l'on impose les conditions initiales à y0 seul, avant d'ajouter yp, on obtient une fonction qui ne vérifie pas les conditions demandées.
Exemple 17 (second membre constant). Trouver la solution f de y′′+3y′+2y=4 telle que f(0)=0 et f′(0)=0.
(E0) : r2+3r+2=0 a pour racines −1 et −2. Solutions : λe−x+μe−2x.
Solution constante : avec y′′=y′=0, il reste 2y=4, donc yp=2.
Solution générale : y=λe−x+μe−2x+2.
f(0)=λ+μ+2=0 et f′(0)=−λ−2μ=0, donc λ=−4 et μ=2 :
f(x)=2−4e−x+2e−2x.
En +∞, f(x)→2. Avec le piège, on aurait trouvé λ=μ=0, puis f=2, qui ne vérifie pas f(0)=0.
Exemple 18 (second membre trigonométrique). Trouver la solution f de y′′+4y=3cosx telle que f(0)=0 et f′(0)=0, en cherchant une solution particulière de la forme acosx+bsinx.
Pour yp=acosx+bsinx, on a yp′′=−yp, donc yp′′+4yp=3yp=3acosx+3bsinx. Par identification, 3a=3 et 3b=0 : yp(x)=cosx.
(E0) : y′′+4y=0, de solutions λcos2x+μsin2x.
Solution générale : y=λcos2x+μsin2x+cosx.
f(0)=λ+1=0 et f′(0)=2μ=0, donc
f(x)=cosx−cos2x.
Leçon 6 : Seconds membres variés, avec une indicationS2 · S4 · S2A · S5
Le programme S2-S4 demande de savoir résoudre les équations du premier et du second ordre avec second membre, et précise : « on donnera toujours une indication pour la détermination d'une solution particulière ». La méthode est toujours la même : on remplace la forme indiquée dans l'équation, puis on identifie les coefficients.
6.1 Second membre polynôme ou exponentielle
Exemple 19. Résoudre y′′−3y′+2y=2x−1, en cherchant une solution particulière affine.
Pour yp=mx+p : yp′=m et yp′′=0, donc yp′′−3yp′+2yp=2mx+(2p−3m). Par identification avec 2x−1 : 2m=2 et 2p−3m=−1, donc m=1, p=1 et yp(x)=x+1.
Avec l'exemple 9, les solutions sont y=λex+μe2x+x+1.
Exemple 20. Résoudre y′′−4y=3ex, en cherchant une solution particulière de la forme aex.
Pour yp=aex : yp′′−4yp=aex−4aex=−3aex. On veut −3a=3, donc a=−1 et yp(x)=−ex.
Avec l'exemple 11, les solutions sont y=λe2x+μe−2x−ex.
6.2 Quand l'indication contient un facteur x
Exemple 21. Résoudre y′′−4y=4e2x.
On essaie ae2x : 4ae2x−4ae2x=0, quel que soit a. Cette forme ne peut pas convenir, car e2x est déjà solution de l'équation homogène. L'énoncé indique alors une autre forme : yp=axe2x.
yp′=a(1+2x)e2x et yp′′=a(4+4x)e2x, donc yp′′−4yp=4ae2x. On veut 4a=4 : a=1 et yp(x)=xe2x.
Solutions : y=λe2x+μe−2x+xe2x.
Exemple 22 (premier ordre). Résoudre y′+2y=e−2x, en cherchant une solution particulière de la forme axe−2x.
yp′=a(1−2x)e−2x, donc yp′+2yp=ae−2x. On veut a=1 : yp(x)=xe−2x.
Solutions : y=λe−2x+xe−2x=(x+λ)e−2x.
À retenir. L'indication de l'énoncé est faite pour être suivie : on n'a pas à deviner la forme. Si une forme « naturelle » donne 0= second membre, c'est qu'elle est solution de l'équation homogène ; l'énoncé propose alors une forme multipliée par x.
Ce qu'il faut retenir du chapitre
Les solutions de y′=ay sont les fonctions λeax. Avec f(x0)=y0, la solution est unique : y0ea(x−x0).
ay′+by=0 s'écrit y′=−aby. Attention au signe.
Avec second membre : solution générale = une solution particulière + solution générale de l'équation homogène. Second membre constant : on cherche une solution constante. Sinon, on suit l'indication et on identifie les coefficients.
ay′′+by′+cy=0 : on résout l'équation caractéristique ar2+br+c=0.
Δ>0 : λer1x+μer2x ;
Δ=0 : (λx+μ)er0x ;
Δ<0 : eαx(λcosβx+μsinβx), avec α=−2ab et β=2a−Δ (a>0).
y′′+ω2y=0 : λcosωx+μsinωx ; oscillations de période ω2π.
Au second ordre, il faut deux conditions initiales, f(x0) et f′(x0), à imposer à la solution générale complète.
S2 · S4 · S2A · S5 Chaque solution particulière se trouve en suivant l'indication de l'énoncé ; si la forme naturelle échoue, l'énoncé propose une forme multipliée par x.
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