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Leçon 5

Second ordre avec second membre

Vidéo 5 : Second ordre avec second membre · 3 min 24 s · sous-titres en français

Le cours écrit

5.1 Le principe

On considère (E)(E) : ay′′+by′+cy=g(x)ay'' + by' + cy = g(x) et l'équation homogène associée (E0)(E_0) : ay′′+by′+cy=0ay'' + by' + cy = 0.

Théorème 8. Si ypy_p est une solution particulière de (E)(E), les solutions de (E)(E) sont les fonctions y=yp+y0y = y_p + y_0, où y0y_0 est une solution quelconque de (E0)(E_0).

Démonstration. Comme à la leçon 2 : a(y−yp)′′+b(y−yp)′+c(y−yp)=(ay′′+by′+cy)−ga(y - y_p)'' + b(y - y_p)' + c(y - y_p) = (ay'' + by' + cy) - g.

5.2 La méthode

  1. Résoudre (E0)(E_0) avec l'équation caractéristique.
  2. Trouver une solution particulière ypy_p : constante si le second membre est constant, sinon de la forme indiquée par l'énoncé.
  3. Écrire la solution générale y=yp+y0y = y_p + y_0.
  4. Utiliser les conditions initiales sur la solution générale complète.

Attention au piège de l'étape 4. Si l'on impose les conditions initiales à y0y_0 seul, avant d'ajouter ypy_p, on obtient une fonction qui ne vérifie pas les conditions demandées.

Exemple 17 (second membre constant). Trouver la solution ff de y′′+3y′+2y=4y'' + 3y' + 2y = 4 telle que f(0)=0f(0) = 0 et f′(0)=0f'(0) = 0.

  • (E0)(E_0) : r2+3r+2=0r^2 + 3r + 2 = 0 a pour racines −1-1 et −2-2. Solutions : λe−x+μe−2x\lambda e^{-x} + \mu e^{-2x}.
  • Solution constante : avec y′′=y′=0y'' = y' = 0, il reste 2y=42y = 4, donc yp=2y_p = 2.
  • Solution générale : y=λe−x+μe−2x+2y = \lambda e^{-x} + \mu e^{-2x} + 2.
  • f(0)=λ+μ+2=0f(0) = \lambda + \mu + 2 = 0 et f′(0)=−λ−2μ=0f'(0) = -\lambda - 2\mu = 0, donc λ=−4\lambda = -4 et μ=2\mu = 2 : f(x)=2−4e−x+2e−2x.f(x) = 2 - 4e^{-x} + 2e^{-2x}. En +∞+\infty, f(x)→2f(x) \to 2. Avec le piège, on aurait trouvé λ=μ=0\lambda = \mu = 0, puis f=2f = 2, qui ne vérifie pas f(0)=0f(0) = 0.

Exemple 18 (second membre trigonométrique). Trouver la solution ff de y′′+4y=3cos⁡xy'' + 4y = 3\cos x telle que f(0)=0f(0) = 0 et f′(0)=0f'(0) = 0, en cherchant une solution particulière de la forme acos⁡x+bsin⁡xa\cos x + b\sin x.

  • Pour yp=acos⁡x+bsin⁡xy_p = a\cos x + b\sin x, on a yp′′=−ypy_p'' = -y_p, donc yp′′+4yp=3yp=3acos⁡x+3bsin⁡xy_p'' + 4y_p = 3y_p = 3a\cos x + 3b\sin x. Par identification, 3a=33a = 3 et 3b=03b = 0 : yp(x)=cos⁡xy_p(x) = \cos x.
  • (E0)(E_0) : y′′+4y=0y'' + 4y = 0, de solutions λcos⁡2x+μsin⁡2x\lambda\cos 2x + \mu\sin 2x.
  • Solution générale : y=λcos⁡2x+μsin⁡2x+cos⁡xy = \lambda\cos 2x + \mu\sin 2x + \cos x.
  • f(0)=λ+1=0f(0) = \lambda + 1 = 0 et f′(0)=2μ=0f'(0) = 2\mu = 0, donc f(x)=cos⁡x−cos⁡2x.f(x) = \cos x - \cos 2x.

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Exercices 9 et 10

  • Exercice 9 : chercher la solution particulière
  • Exercice 10 : de l'équation à l'étude de fonction

Exercices du chapitre (PDF, 506 Ko)

Corrigés

Cherche d'abord les exercices sur ta feuille, puis compare avec le corrigé détaillé.

Corrigés du chapitre (PDF, 665 Ko)

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