Equations différentielles

La méthode de la variation de la constante (2) - Exercice 1

50 min
75
Pour s'entrainer encore à la méthode de la variation de la constante.
Question 1
Résoudre les équations différentielles qui vous sont proposées.

Soit xx un nombre réel. Résoudre l'équation différentielle (E)(E) suivante : xy(x)+y(x)=x1+x2x \, y'(x) + y(x) = \dfrac{x}{1+x^2}.

Correction
Cette équation différentielle est linéaire, du premier ordre, à coefficients variables et avec second membre. On va donc considérer l'équation homogène associée, à savoir :
xyh(x)+yh(x)=0x \, y_h'(x) + y_h(x) = 0
Cette dernière est séparable. En effet elle peut s'écrire comme :
xdyhdx(x)+yh(x)=0dyhdx(x)=yh(x)xdyhdx(x)=1x1yh(x)x \, \dfrac{d \, y_h}{dx}(x) + y_h(x) = 0 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, \dfrac{d \, y_h}{dx}(x) = - \dfrac{y_h(x)}{x} \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, \dfrac{d \, y_h}{dx}(x) = - \dfrac{\dfrac{1}{x}}{\dfrac{1}{y_h(x)}}
Ainsi, par l'écriture de LeibnizLeibniz on obtient :
1yh(x)dyh=1xdx\dfrac{1}{y_h(x)} dy_h = - \dfrac{1}{x} dx
En intégrant les deux membres, on trouve (avec CRC \in \mathbb{R}) que :
ln(yh(x))=ln(x)+C\ln(|y_h(x)|) = - \ln(|x|) + C
Ce qui implique que :
yh(x)=eln(x)+Cyh(x)=eln(1x)+Cyh(x)=eln(1x)eC|y_h(x)| = e^{- \ln(|x|) + C} \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, |y_h(x)| = e^{\ln\left( \frac{1}{|x|}\right) + C} \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, |y_h(x)| = e^{\ln\left( \frac{1}{|x|}\right) } \, e^{C}
Or, K=eCRK=e^{C} \in \mathbb{R}. Donc :
yh(x)=eln(1x)K|y_h(x)| = e^{\ln\left( \frac{1}{|x|}\right) } \, K
La valeur absolue est associée aux signes possibles. Donc on va écrire que :
yh(x)=±Kxy_h(x) = \dfrac{\pm K}{x}
Finalement, avec K=±KR\mathcal{K} = \pm K \in \mathbb{R}, on a :
yh(x)=Kx{\color{blue}{\boxed{y_h(x) = \dfrac{\mathcal{K}}{x}}}}
On va maintenant appliquer la méthode de la variation de la constante afin de déterminer une solution particulière ypy_p de l'équation (E)(E). Pour cela, on fait le changement KK(x)\mathcal{K} \longrightarrow\mathcal{K}(x). Ainsi, on pose :
yp(x)=K(x)xyp(x)=K(x)xK(x)x2y_p(x) = \dfrac{\mathcal{K}(x)}{x} \,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\, y'_p(x) = \dfrac{\mathcal{K}'(x)}{x} - \dfrac{\mathcal{K}(x)}{x^2}
L'équation (E)(E) prend alors la forme :
xyp(x)+yp(x)=x1+x2x(K(x)xK(x)x2)+K(x)x=x1+x2x \, y_p'(x) + y_p(x) = \dfrac{x}{1+x^2} \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, x \left( \dfrac{\mathcal{K}'(x)}{x} - \dfrac{\mathcal{K}(x)}{x^2} \right) + \dfrac{\mathcal{K}(x)}{x} = \dfrac{x}{1+x^2}.
Soit :
K(x)K(x)x+K(x)x=x1+x2K(x)=x1+x2K(x)=122x1+x2\mathcal{K}'(x) - \dfrac{\mathcal{K}(x)}{x} + \dfrac{\mathcal{K}(x)}{x} = \dfrac{x}{1+x^2} \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, \mathcal{K}'(x) = \dfrac{x}{1+x^2} \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, \mathcal{K}'(x) = \dfrac{1}{2}\dfrac{2x}{1+x^2}
En intégrant, on obtient :
K(x)=12ln(1+x2)+q(qR)\mathcal{K}(x) = \dfrac{1}{2} \ln \left( 1+x^2 \right) + q \,\,\, (q \in \mathbb{R})
Ce qui nous permet d'obtenir :
yp(x)=12xln(1+x2)+qx{\color{blue}{\boxed{y_p(x) = \dfrac{1}{2x} \ln \left( 1+x^2 \right) + \dfrac{q}{x}}}}
Comme l'équation différentielle (E)(E) est linéaire, la solution globale yy est donnée par :
y(x)=yp(x)+yh(x)y(x) = y_p(x) + y_h(x)
Donc :
y(x)=12xln(1+x2)+qx+Kxy(x) = \dfrac{1}{2x} \ln \left( 1+x^2 \right) + \dfrac{q}{x} + \dfrac{\mathcal{K}}{x}
Ce qui nous donne :
y(x)=12xln(1+x2)+q+Kxy(x) = \dfrac{1}{2x} \ln \left( 1+x^2 \right) + \dfrac{q + \mathcal{K}}{x}
Finalement, en posant Q=q+KRQ = q + \mathcal{K} \in \mathbb{R}, on obtient :
y(x)=12xln(1+x2)+Qx=1x(12ln(1+x2)+Q){\color{red}{\boxed{y(x) = \dfrac{1}{2x} \ln \left( 1+x^2 \right) + \dfrac{Q}{x} = \dfrac{1}{x} \left( \dfrac{1}{2} \ln \left( 1+x^2 \right) + Q \right) }}}
Question 2

Soit xx un nombre réel. Résoudre l'équation différentielle (E)(E) suivante : (1+x2)y(x)2xy(x)=(1+x2)2(1+x^2) \, y'(x) - 2x \, y(x) = (1+x^2)^2.

Correction
Cette équation différentielle est linéaire, du premier ordre, à coefficients variables et avec second membre. On va donc considérer l'équation homogène associée, à savoir :
(1+x2)yh(x)2xyh(x)=0(1+x^2) \, y_h'(x) - 2x \, y_h(x) = 0
Cette dernière est séparable. En effet elle peut s'écrire comme :
(1+x2)dyhdx(x)2xyh(x)=0dyhdx(x)=2x1+x2yh(x)(1+x^2) \, \dfrac{d \, y_h}{dx}(x) - 2x \, y_h(x) = 0 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, \dfrac{d \, y_h}{dx}(x) = \dfrac{2x}{1+x^2} \, y_h(x)
Ce qui nous donne avec l'écriture de LeibnizLeibniz :
dyhyh(x)=2x1+x2dx\dfrac{d \, y_h}{y_h(x)} = \dfrac{2x}{1+x^2} \, dx
En intégrant :
ln(yh(x))=ln(1+x2)+C(CR)\ln(|y_h(x)|) = \ln\left( 1+ x^2 \right) + C \,\,\, (C \in \mathbb{R})
En prenant l'exponentielle :
eln(yh(x))=eln(1+x2)+Cyh(x)=eC×(1+x2)e^{\ln(|y_h(x)|)} = e^{\ln\left( 1+ x^2 \right) + C} \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, |y_h(x)| = e^C \times \left( 1+ x^2 \right)
Posons K=eCRK = e^C \in \mathbb{R}, et on obtient :
yh(x)=K×(1+x2)yh(x)=±K×(1+x2)|y_h(x)| = K \times \left( 1+ x^2 \right) \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, y_h(x) = \pm K \times \left( 1+ x^2 \right)
Posons maintenant K=±KR\mathcal{K} = \pm K \in \mathbb{R}, et on trouve que :
yh(x)=K(1+x2){\color{blue}{\boxed{y_h(x) = \mathcal{K} \left( 1+ x^2 \right)}}}
On va maintenant appliquer la méthode de la variation de la constante afin de déterminer une solution particulière ypy_p de l'équation (E)(E). Pour cela, on fait le changement KK(x)\mathcal{K} \longrightarrow\mathcal{K}(x). Ainsi, on pose :
yp(x)=K(x)(1+x2)yp(x)=K(x)(1+x2)+2xK(x)y_p(x) = \mathcal{K}(x) \left( 1+ x^2 \right) \,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\, y'_p(x) = \mathcal{K}'(x) \left( 1+ x^2 \right) + 2x \,\mathcal{K}(x)
L'équation (E)(E) prend alors la forme :
(1+x2)yp(x)2xyp(x)=(1+x2)2(1+x2)(K(x)(1+x2)+2xK(x))2xK(x)(1+x2)=(1+x2)2(1+x^2) \, y_p'(x) - 2x \, y_p(x) = (1+x^2)^2 \,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\, (1+x^2)\left( \mathcal{K}'(x) \left( 1+ x^2 \right) + 2x \,\mathcal{K}(x) \right) - 2x \,\mathcal{K}(x) \left( 1+ x^2 \right) = (1+x^2)^2
Ce qui nous donne :
K(x)(1+x2)2+2x(1+x2)K(x)2xK(x)(1+x2)=(1+x2)2\mathcal{K}'(x) \left( 1+ x^2 \right)^2 + 2x(1+x^2) \,\mathcal{K}(x) - 2x \,\mathcal{K}(x) \left( 1+ x^2 \right) = (1+x^2)^2
En simplifiant :
K(x)(1+x2)2=(1+x2)2\mathcal{K}'(x) \left( 1+ x^2 \right)^2 = \left(1+x^2\right)^2
Comme le terme (1+x2)20\left( 1+ x^2 \right)^2 \neq 0 on obtient donc :
K(x)=1\mathcal{K}'(x) = 1
Ainsi, avec qRq \in \mathbb{R} :
K(x)=x+q\mathcal{K}(x) = x + q
Dès lors, la solution particulière ypy_p recherchée est donnée par :
yp(x)=(x+q)(1+x2){\color{blue}{\boxed{y_p(x) = (x+q) \left( 1+ x^2 \right)}}}
L'équation différentielle (E)(E) étant linéaire, la solution globale yy est donc donnée par
y(x)=yp(x)+yh(x)y(x) = y_p(x) + y_h(x)
Soit :
y(x)=(x+q)(1+x2)+K(1+x2)y(x)=(x+q+K)(1+x2)y(x) = (x+q) \left( 1 + x^2 \right) + \mathcal{K} \left( 1 + x^2 \right) \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, y(x) = (x+q+\mathcal{K}) \left( 1 + x^2 \right)
On pose alors Q=q+KRQ = q+\mathcal{K} \in \mathbb{R}, et finalement, on trouve que :
y(x)=(x+Q)(1+x2){\color{red}{\boxed{y(x) = (x+Q) \left( 1+ x^2 \right)}}}