3.1 L'équation et l'idée
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.
Exemple 10 (Δ=0). Résoudre y′′−4y′+4y=0.
r2−4r+4=(r−2)2 : racine double 2. Solutions : y=(λx+μ)e2x.
Exemple 11. Résoudre y′′=4y.
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 seule f 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.