Les équations différentielles linéaires du 2ème ordre à coefficients constants avec un second membre de la forme t↦P(t)emtt\mapsto P\left(t\right)e^{mt} - Exercice 1

15 min
20
Déterminer les solutions réelles des équations différentielles suivantes :
Question 1

(E):y′′+5y′−6y=4e2t\left(E\right) :y''+5y'-6y=4e^{2t}

Correction
Etape 1 : Résolution de l'équation homogène (E0):ay′′+by′+cy=0\left(E_0\right) :ay''+by'+cy=0 .
Etape 2 : Recherche d'une solution particulière
Le second membre est de la forme t↦P(t)emtt \mapsto P\left(t\right)e^{mt}
Premier cas :
Si mm n'est pas solution de l'équation caractéristique, on cherche alors une solution particulière de la forme y1(t)=Q(t)emty_1\left(t\right)=Q\left(t\right)e^{mt} où deg⁡(Q)=deg⁡(P)\deg\left(Q\right)=\deg\left(P\right) .
Autrement dit : y1(t)=Aemty_1\left(t\right)=Ae^{mt} où A∈RA\in \mathbb{R}
Deuxième cas :
Si mm est une racine simple de l'équation caractéristique, on cherche alors une solution particulière de la forme y1(t)=Q(t)emty_1\left(t\right)=Q\left(t\right)e^{mt} où deg⁡(Q)=deg⁡(P)+1\deg\left(Q\right)=\deg\left(P\right)+1
Autrement dit : y1(t)=Atemty_1\left(t\right)=Ate^{mt} où A∈RA\in \mathbb{R}
Troisième cas :
Si mm est une racine double de l'équation caractéristique, on cherche alors une solution particulière de la forme y1(t)=Q(t)emty_1\left(t\right)=Q\left(t\right)e^{mt} où deg⁡(Q)=deg⁡(P)+2\deg\left(Q\right)=\deg\left(P\right)+2
Autrement dit : y1(t)=At2emty_1\left(t\right)=At^{2}e^{mt} où A∈RA\in \mathbb{R}
Etape 3 : Donner les solutions générales de l'équation différentielle
Les solutions générales de (E)\left(E\right) sont les fonctions de la forme :
y(t)=y0(t)+y1(t)y\left(t\right)=y_0\left(t\right)+y_1\left(t\right)
Etape 1 : Résolution de l'équation homogène
On note (E0):y′′+5y′−6y=0\left(E_0\right) :y''+5y'-6y=0
Nous allons commencer par donner l'équation caractéristique de (E0)\left(E_0\right) .
On a donc : r2+5r−6=0r^2+5r-6=0. On obtient : Δ>0\Delta>0 ; r1=1r_1=1 et r2=−6r_2=-6.
L'ensemble des solutions réelles de (E0)\left(E_0\right) est l'ensemble des fonctions de la forme :
y0(t)=C1et+C2e−6ty_0\left(t\right)=C_1e^{t}+C_2e^{-6t}
où C1C_1 et C2C_2 sont des constantes réelles quelconques.
Etape 2 : Recherche d'une solution particulière
Le second membre t↦4e2tt\mapsto 4e^{2t} est de la forme P(t)emtP\left(t\right)e^{mt} avec deg⁡(P)=0\deg\left(P\right)=0 et m=2m=2 .
Or m=2m=2 n'est pas une racine de l'équation caractéristique .
On cherche alors une solution particulière de la forme y1(t)=Q(t)emty_1\left(t\right)=Q\left(t\right)e^{mt} où deg⁡(Q)=deg⁡(P)\deg\left(Q\right)=\deg\left(P\right) .
Autrement dit : y1(t)=Ae2ty_1\left(t\right)=Ae^{2t} où A∈RA\in \mathbb{R}
Il vient alors que y1′(t)=2Ae2ty_{1}^{'} \left(t\right)=2Ae^{2t} et y1′′(t)=4Ae2ty_{1}^{''} \left(t\right)=4Ae^{2t}
y1′′(t)+5y1′(t)−6y1(t)=4e2ty_{1}^{''} \left(t\right)+5y_{1}^{'} \left(t\right)-6y_1\left(t\right)=4e^{2t} équivaut successivement à :
4Ae2t+5×2Ae2t−6Ae2t=4e2t4Ae^{2t}+5\times2Ae^{2t}-6Ae^{2t}=4e^{2t}
4A+10A−6A=44A+10A-6A=4
8A=48A=4
A=48A=\frac{4}{8}
Ainsi : A=12A=\frac{1}{2}
Une solution particulière de (E)\left(E\right) est alors y1(t)=12e2ty_1\left(t\right)=\frac{1}{2}e^{2t}
Etape 3 : Donner les solutions générales de l'équation différentielle
Les solutions générales de (E)\left(E\right) sont les fonctions de la forme :
y(t)=y0(t)+y1(t)y\left(t\right)=y_0\left(t\right)+y_1\left(t\right)
Finalement :
y(t)=C1et+C2e−6t+12e2ty\left(t\right)=C_1e^{t}+C_2e^{-6t}+\frac{1}{2}e^{2t}
où C1C_1 et C2C_2 sont des constantes réelles quelconques.
Question 2

(E):y′′−y=3et\left(E\right) :y''-y=3e^{t}

Correction
Etape 1 : Résolution de l'équation homogène (E0):ay′′+by′+cy=0\left(E_0\right) :ay''+by'+cy=0 .
Etape 2 : Recherche d'une solution particulière
Le second membre est de la forme t↦P(t)emtt \mapsto P\left(t\right)e^{mt}
Premier cas :
Si mm n'est pas solution de l'équation caractéristique, on cherche alors une solution particulière de la forme y1(t)=Q(t)emty_1\left(t\right)=Q\left(t\right)e^{mt} où deg⁡(Q)=deg⁡(P)\deg\left(Q\right)=\deg\left(P\right) .
Autrement dit : y1(t)=Aemty_1\left(t\right)=Ae^{mt} où A∈RA\in \mathbb{R}
Deuxième cas :
Si mm est une racine simple de l'équation caractéristique, on cherche alors une solution particulière de la forme y1(t)=Q(t)emty_1\left(t\right)=Q\left(t\right)e^{mt} où deg⁡(Q)=deg⁡(P)+1\deg\left(Q\right)=\deg\left(P\right)+1
Autrement dit : y1(t)=Atemty_1\left(t\right)=Ate^{mt} où A∈RA\in \mathbb{R}
Troisième cas :
Si mm est une racine double de l'équation caractéristique, on cherche alors une solution particulière de la forme y1(t)=Q(t)emty_1\left(t\right)=Q\left(t\right)e^{mt} où deg⁡(Q)=deg⁡(P)+2\deg\left(Q\right)=\deg\left(P\right)+2
Autrement dit : y1(t)=At2emty_1\left(t\right)=At^{2}e^{mt} où A∈RA\in \mathbb{R}
Etape 3 : Donner les solutions générales de l'équation différentielle
Les solutions générales de (E)\left(E\right) sont les fonctions de la forme :
y(t)=y0(t)+y1(t)y\left(t\right)=y_0\left(t\right)+y_1\left(t\right)
Etape 1 : Résolution de l'équation homogène
On note (E0):y′′−y=0\left(E_0\right) :y''-y=0
Nous allons commencer par donner l'équation caractéristique de (E0)\left(E_0\right) .
On a donc : r2−1=0r^2-1=0. On obtient : Δ>0\Delta>0 ; r1=1r_1=1 et r2=−1r_2=-1.
L'ensemble des solutions réelles de (E0)\left(E_0\right) est l'ensemble des fonctions de la forme :
y0(t)=C1et+C2e−ty_0\left(t\right)=C_1e^{t}+C_2e^{-t}
où C1C_1 et C2C_2 sont des constantes réelles quelconques.
Etape 2 : Recherche d'une solution particulière
Le second membre t↦3ett\mapsto 3e^{t} est de la forme P(t)emtP\left(t\right)e^{mt} avec deg⁡(P)=0\deg\left(P\right)=0 et m=1m=1 .
Or m=1m=1 est une racine simple de l'équation caractéristique .
On cherche alors une solution particulière de la forme y1(t)=Q(t)emty_1\left(t\right)=Q\left(t\right)e^{mt} où deg⁡(Q)=deg⁡(P)+1\deg\left(Q\right)=\deg\left(P\right)+1 .
Autrement dit : y1(t)=Atety_1\left(t\right)=Ate^{t} où A∈RA\in \mathbb{R}
Il vient alors que y1′(t)=(A+At)ety_{1}^{'} \left(t\right)=\left(A+At\right)e^{t} et y1′′(t)=(2A+At)ety_{1}^{''} \left(t\right)=\left(2A+At\right)e^{t}
y1′′(t)−y1(t)=3ety_{1}^{''} \left(t\right)-y_1\left(t\right)=3e^{t} équivaut successivement à :
(2A+At)et−Atet=3et\left(2A+At\right)e^{t}-Ate^{t}=3e^{t}
2A+At−At=32A+At-At=3
2A=32A=3
Ainsi : A=32A=\frac{3}{2}
Une solution particulière de (E)\left(E\right) est alors y1(t)=32tety_1\left(t\right)=\frac{3}{2}te^{t}
Etape 3 : Donner les solutions générales de l'équation différentielle
Les solutions générales de (E)\left(E\right) sont les fonctions de la forme :
y(t)=y0(t)+y1(t)y\left(t\right)=y_0\left(t\right)+y_1\left(t\right)
Finalement :
y(t)=C1et+C2e−t+32tety\left(t\right)=C_1e^{t}+C_2e^{-t}+\frac{3}{2}te^{t}
où C1C_1 et C2C_2 sont des constantes réelles quelconques.
Question 3

(E):y′′+y=tet\left(E\right) :y''+y=te^{t}

Correction
Etape 1 : Résolution de l'équation homogène (E0):ay′′+by′+cy=0\left(E_0\right) :ay''+by'+cy=0 .
Etape 2 : Recherche d'une solution particulière
Le second membre est de la forme t↦P(t)emtt \mapsto P\left(t\right)e^{mt}
Premier cas :
Si mm n'est pas solution de l'équation caractéristique, on cherche alors une solution particulière de la forme y1(t)=Q(t)emty_1\left(t\right)=Q\left(t\right)e^{mt} où deg⁡(Q)=deg⁡(P)\deg\left(Q\right)=\deg\left(P\right) .
Autrement dit : y1(t)=Aemty_1\left(t\right)=Ae^{mt} où A∈RA\in \mathbb{R}
Deuxième cas :
Si mm est une racine simple de l'équation caractéristique, on cherche alors une solution particulière de la forme y1(t)=Q(t)emty_1\left(t\right)=Q\left(t\right)e^{mt} où deg⁡(Q)=deg⁡(P)+1\deg\left(Q\right)=\deg\left(P\right)+1
Autrement dit : y1(t)=Atemty_1\left(t\right)=Ate^{mt} où A∈RA\in \mathbb{R}
Troisième cas :
Si mm est une racine double de l'équation caractéristique, on cherche alors une solution particulière de la forme y1(t)=Q(t)emty_1\left(t\right)=Q\left(t\right)e^{mt} où deg⁡(Q)=deg⁡(P)+2\deg\left(Q\right)=\deg\left(P\right)+2
Autrement dit : y1(t)=At2emty_1\left(t\right)=At^{2}e^{mt} où A∈RA\in \mathbb{R}
Etape 3 : Donner les solutions générales de l'équation différentielle
Les solutions générales de (E)\left(E\right) sont les fonctions de la forme :
y(t)=y0(t)+y1(t)y\left(t\right)=y_0\left(t\right)+y_1\left(t\right)
Etape 1 : Résolution de l'équation homogène
On note (E0):y′′+y=tet\left(E_0\right) : y''+y=te^{t}
Nous allons commencer par donner l'équation caractéristique de (E0)\left(E_0\right) .
On a donc : r2+1=0r^2+1=0. On obtient : Δ<0\Delta<0 ; λ1=i{\lambda }_1=i et λ2=−i{\lambda }_2=-i.
L'ensemble des solutions réelles de (E0)\left(E_0\right) est l'ensemble des fonctions de la forme :
y0(x)=e0x(C1cos⁡(1x)+C2sin⁡(1x))y_0\left(x\right)=e^{0x}\left(C_1\cos\left(1 x\right)+C_2\sin\left(1 x\right)\right)
y0(x)=C1cos⁡(x)+C2sin⁡(x)y_0\left(x\right)=C_1\cos\left( x\right)+C_2\sin\left(x\right)
où C1C_1 et C2C_2 sont des constantes réelles quelconques.
Etape 2 : Recherche d'une solution particulière
Le second membre t↦tett\mapsto te^{t} est de la forme P(t)emtP\left(t\right)e^{mt} avec deg⁡(P)=1\deg\left(P\right)=1 et m=1m=1 .
Or m=1m=1 n'est une pas une racine de l'équation caractéristique .
On cherche alors une solution particulière de la forme y1(t)=Q(t)emty_1\left(t\right)=Q\left(t\right)e^{mt} où deg⁡(Q)=deg⁡(P)\deg\left(Q\right)=\deg\left(P\right) .
Autrement dit : y1(t)=(At+B)ety_1\left(t\right)=\left(At+B\right)e^{t} où (A,B)∈R2\left(A,B\right)\in \mathbb{R}^2
Il vient alors que y1′(t)=(At+A+B)ety_{1}^{'} \left(t\right)=\left(At+A+B\right)e^{t} et y1′′(t)=(At+2A+B)ety_{1}^{''} \left(t\right)=\left(At+2A+B\right)e^{t}
y1′′(t)+y1(t)=tety_{1}^{''} \left(t\right)+y_1\left(t\right)=te^{t} équivaut successivement à :
(At+2A+B)et+(At+B)et=tet\left(At+2A+B\right)e^{t}+\left(At+B\right)e^{t}=te^{t}
At+2A+B+At+B=tAt+2A+B+At+B=t
2At+2A+2B=t2At+2A+2B=t
Il vient alors que :
{2A=12A+2B=0\left\{ \begin{array}{ccc}2A & = & 1 \\ 2A+2B & = & 0 \end{array}\right.
{A=12B=−12\left\{ \begin{array}{ccc}A & = & \frac{1}{2} \\ B & = & -\frac{1}{2} \end{array}\right.
Une solution particulière de (E)\left(E\right) est alors y1(t)=(12t−12)ety_1\left(t\right)=\left(\frac{1}{2}t-\frac{1}{2}\right)e^{t}
Etape 3 : Donner les solutions générales de l'équation différentielle
Les solutions générales de (E)\left(E\right) sont les fonctions de la forme :
y(t)=y0(t)+y1(t)y\left(t\right)=y_0\left(t\right)+y_1\left(t\right)
Finalement :
y(t)=C1cos⁡(x)+C2sin⁡(x)+(12t−12)ety\left(t\right)=C_1\cos\left( x\right)+C_2\sin\left(x\right)+\left(\frac{1}{2}t-\frac{1}{2}\right)e^{t}
où C1C_1 et C2C_2 sont des constantes réelles quelconques.

Signaler une erreur

Aide-nous à améliorer nos contenus en signalant les erreurs ou problèmes que tu penses avoir trouvés.

Connecte-toi ou crée un compte pour signaler une erreur.