Les classiques... en devoir - Exercice 3

12 min
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On considère l'équation différentielle (E)\left(E\right) : y′=−9y+25cos⁡(x)−21sin⁡(x)y'=-9y+25\cos \left(x\right)-21\sin \left(x\right) .
Question 1

Déterminer les réels aa et bb tels que la fonction hh définie sur R\mathbb{R} par h(x)=acos⁡(x)+bsin⁡(x)h\left(x\right)=a\cos \left(x\right)+b\sin \left(x\right) soit une solution de l'équation (E)\left(E\right) .

Correction
Soit h(x)=acos⁡(x)+bsin⁡(x)h\left(x\right)=a\cos \left(x\right)+b\sin \left(x\right) où aa et bb sont des réels.
hh est dérivable sur R\mathbb{R} et on a : h′(x)=−asin⁡(x)+bcos⁡(x)h'\left(x\right)=-a\sin \left(x\right)+b\cos \left(x\right) .
Comme hh est une solution de l'équation (E)\left(E\right), on a alors :
h′(x)=−9h(x)+25cos⁡(x)−21sin⁡(x)h'\left(x\right)=-9h\left(x\right)+25\cos \left(x\right)-21\sin \left(x\right)
−asin⁡(x)+bcos⁡(x)=−9×(acos⁡(x)+bsin⁡(x))+25cos⁡(x)−21sin⁡(x)-a\sin \left(x\right)+b\cos \left(x\right)=-9\times \left(a\cos \left(x\right)+b\sin \left(x\right)\right)+25\cos \left(x\right)-21\sin \left(x\right)
−asin⁡(x)+bcos⁡(x)=−9acos⁡(x)−9bsin⁡(x)+25cos⁡(x)−21sin⁡(x)-a\sin \left(x\right)+b\cos \left(x\right)=-9a\cos \left(x\right)-9b\sin \left(x\right)+25\cos \left(x\right)-21\sin \left(x\right)
−asin⁡(x)+bcos⁡(x)=(−9a+25)cos⁡(x)+(−9b−21)sin⁡(x)\red{-a}\sin \left(x\right)+\purple{b}\cos \left(x\right)=\left(\purple{-9a+25}\right)\cos \left(x\right)+\left(\red{-9b-21}\right)\sin \left(x\right)
Il faut donc résoudre le système suivant :
{b=−9a+25−a=−9b−21\left\{\begin{array}{ccc} {\purple{b}} & {=} & {\purple{-9a+25}} \\ {\red{-a}} & {=} & {\red{-9b-21}} \end{array}\right. équivaut successivement à :
{b=−9a+25−a=−9×(−9a+25)−21\left\{\begin{array}{ccc} {b} & {=} & {-9a+25} \\ {-a} & {=} & {-9\times \left(-9a+25\right)-21} \end{array}\right.
{b=−9a+25−a=81a−225−21\left\{\begin{array}{ccc} {b} & {=} & {-9a+25} \\ {-a} & {=} & {81a-225-21} \end{array}\right.
{b=−9a+25−a−81a=−246\left\{\begin{array}{ccc} {b} & {=} & {-9a+25} \\ {-a-81a} & {=} & {-246} \end{array}\right.
{b=−9a+25−82a=−246\left\{\begin{array}{ccc} {b} & {=} & {-9a+25} \\ {-82a} & {=} & {-246} \end{array}\right.
{b=−9a+25a=−246−82\left\{\begin{array}{ccc} {b} & {=} & {-9a+25} \\ {a} & {=} & {\frac{-246}{-82} } \end{array}\right.
{b=−9a+25a=3\left\{\begin{array}{ccc} {b} & {=} & {-9a+25} \\ {a} & {=} & {3} \end{array}\right.
{b=−9×3+25a=3\left\{\begin{array}{ccc} {b} & {=} & {-9\times 3+25} \\ {a} & {=} & {3} \end{array}\right.
{b=−2a=3\left\{\begin{array}{ccc} {b} & {=} & {-2} \\ {a} & {=} & {3} \end{array}\right.
Il en résulte donc que la fonction h(x)=3cos⁡(x)−2sin⁡(x)h\left(x\right)=3\cos \left(x\right)-2\sin \left(x\right) est une solution particulière de (E)\left(E\right)
Question 2

Montrer que ff est une solution de (E)\left(E\right) si et seulement si f−hf-h est une solution de y′=−9yy'=-9y .

Correction
ff est une solution de (E)\left(E\right) si et seulement si f′=−9f+25cos⁡(x)−21sin⁡(x)f'=-9f+25\cos \left(x\right)-21\sin \left(x\right) c'est à dire que f′+9f=25cos⁡(x)−21sin⁡(x)f'+9f=\red{25\cos \left(x\right)-21\sin \left(x\right)}
D'après la question 11, nous avons montré que h′=−9h+25cos⁡(x)−21sin⁡(x)h'=-9h+25\cos \left(x\right)-21\sin \left(x\right) que l'on peut aussi écrire : h′+9h=25cos⁡(x)−21sin⁡(x)h'+9h=\red{25\cos \left(x\right)-21\sin \left(x\right)}
Comme f′+9f=25cos⁡(x)−21sin⁡(x)f'+9f=25\cos \left(x\right)-21\sin \left(x\right) et que h′+9h=25cos⁡(x)−21sin⁡(x)h'+9h=25\cos \left(x\right)-21\sin \left(x\right) alors nous pouvons écrire que :
f′+9f=h′+9hf'+9f=h'+9h
f′−h′=−9f+9hf'-h'=-9f+9h
(f−h)′=−9(f−h)\left(f-h\right)' =-9\left(f-h\right)
Il en résulte donc bien que ff est une solution de (E)\left(E\right) si et seulement si f−hf-h est une solution de y′=−9yy'=-9y .
Question 3

En déduire les solutions de (E)\left(E\right) .

Correction
Nous allons déterminer les solutions de y′=−9yy'=-9y.
Soit l’équation différentielle y′=ayy'=ay où aa est un réel avec a≠0a\ne 0, et où yy est une fonction de la variable xx définie et dérivable sur R\mathbb{R}.
  • Les solutions de cette équation sont les fonctions de la forme : f(x)=keaxf\left(x\right)=ke^{ax} où kk est une constante réelle.
  • On identifie ici que : a=−9a=-9 .
    Il en résulte que les solutions de l'équation sont alors : f(x)=ke−9xf\left(x\right)=ke^{-9x} où kk est une constante réelle.
    Finalement :
    f(x)=ke−9xf\left(x\right)=ke^{-9x}
    où kk est une constante réelle.
    D'après la question précédente, ff est une solution de (E)\left(E\right) si et seulement si f−hf-h est une solution de y′=−9yy'=-9y
    Comme f−hf-h est une solution de y′=−9yy'=-9y .
    Il en résulte donc que :
    f(x)−h(x)=ke−9xf\left(x\right)-h\left(x\right)=ke^{-9x} où kk est une constante réelle.
    Ainsi :
    f(x)=h(x)+ke−9xf\left(x\right)=h\left(x\right)+ke^{-9x}
    f(x)=3cos⁡(x)−2sin⁡(x)+ke−9xf\left(x\right)=3\cos \left(x\right)-2\sin \left(x\right)+ke^{-9x}
    Les solutions de (E)\left(E\right) sont les fonctions x↦3cos⁡(x)−2sin⁡(x)+ke−9xx \mapsto 3\cos \left(x\right)-2\sin \left(x\right)+ke^{-9x} où kk est une constante réelle.

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