Exercice 12 - Exercice 1

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Question 1
Soit ff une fonction numérique univariée au moins trois fois dérivable sur R+\mathbb{R}^+. Cette fonction ff satisfait aux trois conditions initiales f(0)=0f(0) = 0, f′(0)=0f'(0) = 0 et f′′(0)=0f''(0) = 0.
En outre, la fonction ff vérifie l'équation différentielle suivante :
f′′′(x)+f′(x)=exf'''(x) + f'(x) = e^x.

Déterminer la fonction ff causale correspondante.

Correction
On a l'équation différentielle suivante :
f′′′(x)+f′(x)=exf'''(x) + f'(x) = e^x
Prenons la transformée de Laplace des deux membres de l'équation différentielle précédente, on a alors :
TLp[f′′′(x)+f′(x)]=TLp[ex]TL_p \left[ f'''(x) + f'(x) \right] = TL_p \left[ e^x \right]
Par linéarité de la transformée de Laplace, on a :
TLp[f′′′(x)]+TLp[f′(x)]=TLp[ex]TL_p \left[ f'''(x) \right] + TL_p \left[ f'(x) \right] = TL_p \left[ e^x \right]
En faisant usage de la notation usuelle TLp[f(x)]=F(p)TL_p \left[ f(x) \right] = F(p), on obtient :
p3F(p)+p2f(0)+pf′(0)+f(0)+pF(p)+f′(0)=TLp[ex]p^3 F(p) + p^2f(0) + pf'(0) + f(0) + p F(p) + f'(0) = TL_p \left[ e^x \right]
En tenant compte des trois conditions initiales, on obtient :
p3F(p)+p20+p0+0+pF(p)+0=TLp[ex]p^3 F(p) + p^20 + p0 + 0 + p F(p) + 0 = TL_p \left[ e^x \right]
Soit :
p3F(p)+pF(p)=TLp[ex]p^3 F(p) + p F(p) = TL_p \left[ e^x \right]
Soit encore :
(p3+p)F(p)=TLp[ex](p^3 + p) F(p) = TL_p \left[ e^x \right]
Ce qui nous permet d'écrire que :
p(p2+1)F(p)=1p−1p(p^2 + 1) F(p) = \dfrac{1}{p-1}
De fait, on a :
F(p)=1p(p2+1)(p−1)F(p) = \dfrac{1}{p(p^2 + 1)(p-1)}
Soient les nombres réels AA, BB, CC et DD tels que :
1p(p2+1)(p−1)=Ap+Bp+Cp2+1+Dp−1\dfrac{1}{p(p^2 + 1)(p-1)} = \dfrac{A}{p} + \dfrac{Bp+C}{p^2 + 1} + \dfrac{D}{p-1}
Donc :
1(p2+1)(p−1)=App+p(Bp+C)p2+1+Dpp−1\dfrac{1}{(p^2 + 1)(p-1)} = A\dfrac{p}{p} + \dfrac{p(Bp+C)}{p^2 + 1} + D\dfrac{p}{p-1}
De fait :
1(p2+1)(p−1)=A+p(Bp+C)p2+1+Dpp−1\dfrac{1}{(p^2 + 1)(p-1)} = A + \dfrac{p(Bp+C)}{p^2 + 1} + D\dfrac{p}{p-1}
Posons maintenant p=0p=0. On a alors :
1(02+1)(0−1)=A+0(B0+C)02+1+D00−1\dfrac{1}{(0^2 + 1)(0-1)} = A + \dfrac{0(B0+C)}{0^2 + 1} + D\dfrac{0}{0-1}
D'où :
1(1)(−1)=A+0+0   ⟺   1−1=A   ⟺   −11=A   ⟺   −1=A\dfrac{1}{(1)(-1)} = A + 0 + 0 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{1}{-1} = A \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, -\dfrac{1}{1} = A \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, -1 = A
On peut donc écrire que :
1p(p2+1)(p−1)=−1p+Bp+Cp2+1+Dp−1\dfrac{1}{p(p^2 + 1)(p-1)} = -\dfrac{1}{p} + \dfrac{Bp+C}{p^2 + 1} + \dfrac{D}{p-1}
Donc :
1p(p2+1)=−p−1p+(p−1)(Bp+C)p2+1+Dp−1p−1\dfrac{1}{p(p^2 + 1)} = -\dfrac{p-1}{p} + \dfrac{(p-1)(Bp+C)}{p^2 + 1} + D\dfrac{p-1}{p-1}
Soit :
1p(p2+1)=−p−1p+(p−1)(Bp+C)p2+1+D\dfrac{1}{p(p^2 + 1)} = -\dfrac{p-1}{p} + \dfrac{(p-1)(Bp+C)}{p^2 + 1} + D
Posons maintenant p=1p=1. On a alors :
11(12+1)=−1−11+(1−1)(B1+C)12+1+D   ⟺   12=−01+0(B+C)2+D   ⟺   12=D\dfrac{1}{1(1^2 + 1)} = -\dfrac{1-1}{1} + \dfrac{(1-1)(B1+C)}{1^2 + 1} + D \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{1}{2} = -\dfrac{0}{1} + \dfrac{0(B+C)}{2} + D \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{1}{2} = D
On peut donc écrire que :
1p(p2+1)(p−1)=−1p+Bp+Cp2+1+121p−1\dfrac{1}{p(p^2 + 1)(p-1)} = -\dfrac{1}{p} + \dfrac{Bp+C}{p^2 + 1} + \dfrac{1}{2}\dfrac{1}{p-1}
Posons maintenant p=2p=2. On a alors :
12(22+1)(2−1)=−12+B2+C22+1+1212−1  ⟺  12(5)1=−12+2B+C5+1211  ⟺  110=−12+2B+C5+12\dfrac{1}{2(2^2 + 1)(2-1)} = -\dfrac{1}{2} + \dfrac{B2+C}{2^2 + 1} + \dfrac{1}{2}\dfrac{1}{2-1} \,\, \Longleftrightarrow \,\, \dfrac{1}{2(5)1} = -\dfrac{1}{2} + \dfrac{2B+C}{5} + \dfrac{1}{2}\dfrac{1}{1} \,\, \Longleftrightarrow \,\, \dfrac{1}{10} = -\dfrac{1}{2} + \dfrac{2B+C}{5} + \dfrac{1}{2}
En simplifiant :
110=2B+C5   ⟺   12=2B+C   ⟺   C=12−2B\dfrac{1}{10} = \dfrac{2B+C}{5} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{1}{2} = 2B+C \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, C = \dfrac{1}{2} - 2B
Ainsi :
1p(p2+1)(p−1)=−1p+Bp+12−2Bp2+1+121p−1\dfrac{1}{p(p^2 + 1)(p-1)} = -\dfrac{1}{p} + \dfrac{Bp + \dfrac{1}{2} - 2B}{p^2 + 1} + \dfrac{1}{2}\dfrac{1}{p-1}
Ce qui nous donne :
1p(p2+1)(p−1)=−1p+B(p−2)+12p2+1+121p−1\dfrac{1}{p(p^2 + 1)(p-1)} = -\dfrac{1}{p} + \dfrac{B(p-2)+\dfrac{1}{2}}{p^2 + 1} + \dfrac{1}{2}\dfrac{1}{p-1}
Posons maintenant p=3p=3. On a alors :
13(32+1)(3−1)=−13+B(3−2)+1232+1+1213−1   ⟺   13(10)2=−13+B+1210+1212\dfrac{1}{3(3^2 + 1)(3-1)} = -\dfrac{1}{3} + \dfrac{B(3-2)+\dfrac{1}{2}}{3^2 + 1} + \dfrac{1}{2}\dfrac{1}{3-1} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{1}{3(10)2} = -\dfrac{1}{3} + \dfrac{B+\dfrac{1}{2}}{10} + \dfrac{1}{2}\dfrac{1}{2}
Ainsi :
160=−13+B+1210+14   ⟺   160=−112+B+1210   ⟺   1060=−1012+B+12   ⟺   1060+1012=B+12\dfrac{1}{60} = -\dfrac{1}{3} + \dfrac{B+\dfrac{1}{2}}{10} + \dfrac{1}{4} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{1}{60} = -\dfrac{1}{12} + \dfrac{B+\dfrac{1}{2}}{10} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{10}{60} = -\dfrac{10}{12} + B+\dfrac{1}{2} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{10}{60} + \dfrac{10}{12} = B+\dfrac{1}{2}
Soit :
1060+5060=B+12   ⟺   10+6060=B+12   ⟺   6060=B+12   ⟺   1=B+12   ⟺   1−12=B\dfrac{10}{60} + \dfrac{50}{60} = B+\dfrac{1}{2} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{10+60}{60} = B+\dfrac{1}{2} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{60}{60} = B+\dfrac{1}{2} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, 1 = B+\dfrac{1}{2} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, 1 - \dfrac{1}{2} = B
Ce qui nous donne B=12B = \dfrac{1}{2} et de fait C=12−2×12=12−1=−12C = \dfrac{1}{2}-2\times \dfrac{1}{2} = \dfrac{1}{2} -1 = -\dfrac{1}{2}.
On a alors la décomposition suivante :
1p(p2+1)(p−1)=−1p+12p−12p2+1+121p−1\dfrac{1}{p(p^2 + 1)(p-1)} = -\dfrac{1}{p} + \dfrac{\dfrac{1}{2}p-\dfrac{1}{2}}{p^2 + 1} + \dfrac{1}{2}\dfrac{1}{p-1}
En factorisant :
1p(p2+1)(p−1)=−1p+12p−1p2+1+121p−1\dfrac{1}{p(p^2 + 1)(p-1)} = -\dfrac{1}{p} + \dfrac{1}{2} \dfrac{p-1}{p^2 + 1} + \dfrac{1}{2}\dfrac{1}{p-1}
Ce qui nous permet d'écrire que :
1p(p2+1)(p−1)=−1p+12pp2+1−121p2+1+121p−1\dfrac{1}{p(p^2 + 1)(p-1)} = -\dfrac{1}{p} + \dfrac{1}{2} \dfrac{p}{p^2 + 1} - \dfrac{1}{2} \dfrac{1}{p^2 + 1} + \dfrac{1}{2}\dfrac{1}{p-1}
Dès lors, nous avons donc :
F(p)=−1p+12pp2+1−121p2+1+121p−1F(p) = -\dfrac{1}{p} + \dfrac{1}{2} \dfrac{p}{p^2 + 1} - \dfrac{1}{2} \dfrac{1}{p^2 + 1} + \dfrac{1}{2}\dfrac{1}{p-1}
De manière identique, nous avons :
F(p)=−1p+12pp2+12−121p2+12+121p−1F(p) = -\dfrac{1}{p} + \dfrac{1}{2} \dfrac{p}{p^2 + 1^2} - \dfrac{1}{2} \dfrac{1}{p^2 + 1^2} + \dfrac{1}{2}\dfrac{1}{p-1}
Mais, on sait que TLp[f(x)]=F(p)TL_p \left[ f(x) \right] = F(p). Avec les tables de correspondances (du cours par exemple) relatives à la transformation de Laplace, nous avons donc :
TLp[f(x)]=−TLp[1]+12TLp[cos⁡(x)]−12TLp[sin⁡(x)]+12TLp[ex]TL_p \left[ f(x) \right] = - TL_p \left[ 1 \right] + \dfrac{1}{2} TL_p \left[ \cos(x) \right] - \dfrac{1}{2} TL_p \left[ \sin(x) \right] + \dfrac{1}{2} TL_p \left[ e^x \right]
Puis, par linéarité :
TLp[f(x)]=TLp[−1+12cos⁡(x)−12sin⁡(x)+12ex]TL_p \left[ f(x) \right] = TL_p \left[ - 1 + \dfrac{1}{2} \cos(x) - \dfrac{1}{2} \sin(x) + \dfrac{1}{2} e^x \right]
De fait, nous pouvons écrire que :
f(x)=−1+12cos⁡(x)−12sin⁡(x)+12exf(x) = - 1 + \dfrac{1}{2} \cos(x) - \dfrac{1}{2} \sin(x) + \dfrac{1}{2} e^x
En factorisant, on obtient :
f(x)=12(−2+cos⁡(x)−sin⁡(x)+ex)f(x) = \dfrac{1}{2}\left( - 2 + \cos(x) - \sin(x) + e^x \right)
Finalement, afin de faire explicitement apparaitre le caractère causale de ff, nous allons introduire l'échelon unité U(x)\mathcal{U}(x). On obtient donc la solution recherchée suivante :
f(x)=12(cos⁡(x)−sin⁡(x)+ex−2)U(x)f(x) = \dfrac{1}{2}\left( \cos(x) - \sin(x) + e^x - 2 \right) \mathcal{U}(x)

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