Les équations différentielles linéaires du 2ème ordre à coefficients constants avec un second membre de la forme t↦A(t)cos⁡(wt)+B(t)sin⁡(wt)t\mapsto A\left(t\right)\cos\left(wt\right)+B\left(t\right)\sin\left(wt\right) - Exercice 1

20 min
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Question 1

Résoudre, sur R\mathbb{R}, l'équation différentielle : y′′+y′+y=−2cos⁡(3t)+4sin⁡(3t)y''+y'+y=-2\cos\left(3t\right)+4\sin\left(3t\right)

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
Premier cas :
Le seconde membre est de la forme ↦P(t)cos⁡(ωt)+Q(t)sin⁡(ωt)\mapsto P\left(t\right)\cos\left(\omega t\right)+ Q\left(t\right)\sin\left(\omega t\right)
Si ni la fonction t↦cos⁡(ωt)t\mapsto \cos\left(\omega t\right) et ni la fonction t↦sin⁡(ωt)t\mapsto \sin\left(\omega t\right) ne sont solutions de (E0)\left(E_0\right) , on cherche alors une solution particulière de la forme :
y1(t)=α(t)cos⁡(ωt)+α(t)sin⁡(ωt)y_1\left(t\right)=\alpha\left(t\right)\cos\left(\omega t\right)+ \alpha\left(t\right)\sin\left(\omega t\right) où où α\alpha et β\beta sont des fonctions de degré Max(deg⁡(P),deg⁡(Q))\text{Max}\left(\deg\left(P\right),\deg\left(Q\right)\right)
Deuxième cas :
Si la fonction t↦cos⁡(ωt)t\mapsto \cos\left(\omega t\right) ou si la fonction t↦sin⁡(ωt)t\mapsto \sin\left(\omega t\right) sont solutions de (E0)\left(E_0\right) , on cherche alors une solution particulière de la forme :
y1(t)=α(t)cos⁡(ωt)+α(t)sin⁡(ωt)y_1\left(t\right)=\alpha\left(t\right)\cos\left(\omega t\right)+ \alpha\left(t\right)\sin\left(\omega t\right) où où α\alpha et β\beta sont des fonctions de degré (Max(deg⁡(P),deg⁡(Q))+1)\left(\text{Max}\left(\deg\left(P\right),\deg\left(Q\right)\right)+1\right)
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′+y=0\left(E_0\right) :y''+y'+y=0
Nous allons commencer par donner l'équation caractéristique de (E0)\left(E_0\right) .
On a donc : r2+r+1=0r^2+r+1=0. On obtient : Δ<0\Delta<0 ; λ1=−12+i32{\lambda }_1=-\frac{1}{2}+\text{i}\frac{\sqrt{3}}{2} et λ2=−12−i32{\lambda }_2=-\frac{1}{2}-\text{i}\frac{\sqrt{3}}{2}.
L'ensemble des solutions réelles de (E0)\left(E_0\right) est l'ensemble des fonctions de la forme :
y0(t)=e−12t(C1cos⁡(32t)+C2sin⁡(32t))y_0\left(t\right)=e^{-\frac{1}{2} t}\left(C_1\cos\left(\frac{\sqrt{3}}{2} t\right)+C_2\sin\left(\frac{\sqrt{3}}{2} t\right)\right)
où C1C_1 et C2C_2 sont des constantes réelles quelconques.
Etape 2 : Recherche d'une solution particulière
Le second membre est de la forme ↦P(t)cos⁡(ωt)+Q(t)sin⁡(ωt)\mapsto P\left(t\right)\cos\left(\omega t\right)+ Q\left(t\right)\sin\left(\omega t\right) avec P(t)=−2P\left(t\right)=-2 et Q(t)=4Q\left(t\right)=4
Or deg⁡(P)=deg⁡(Q)=0\deg\left(P\right)=\deg\left(Q\right)=0 et ω=3\omega=3
On vérifie facilement que :
  • la fonction t↦cos⁡(3t)t\mapsto\cos\left(3t\right) n'est pas solution de (E0)\left(E_0\right)
  • la fonction t↦sin⁡(3t)t\mapsto\sin\left(3t\right) n'est pas solution de (E0)\left(E_0\right)
  • On cherche alors une solution particulière de la forme :
    y1(t)=α(t)cos⁡(3t)+α(t)sin⁡(3t)y_1\left(t\right)=\alpha\left(t\right)\cos\left(3 t\right)+ \alpha\left(t\right)\sin\left(3 t\right) où α\alpha et β\beta sont des fonctions de degré Max(deg⁡(P),deg⁡(Q))\text{Max}\left(\deg\left(P\right),\deg\left(Q\right)\right) ainsi deg⁡(α)=deg⁡(β)=0\deg\left(\alpha\right)=\deg\left(\beta\right)=0
    Il en résulte donc que :
    y1(t)=acos⁡(3t)+bsin⁡(3t)y_1\left(t\right)=a\cos\left(3 t\right)+ b\sin\left(3 t\right) où (a,b)∈R2\left(a,b\right)\in \mathbb{R}^{2}
    Ainsi :
    y1′(t)=−3asin⁡(3t)+3bcos⁡(3t)y'_1\left(t\right)=-3a\sin\left(3 t\right)+ 3b\cos\left(3 t\right) et y1′′(t)=−9acos⁡(3t)−9bsin⁡(3t)y''_1\left(t\right)=-9a\cos\left(3 t\right)-9b\sin\left(3 t\right)
    On peut donc écrire que :
    y1′′(t)+y1′(t)+y1(t)=−9acos⁡(3t)−9bsin⁡(3t)−3asin⁡(3t)+3bcos⁡(3t)+acos⁡(3t)+bsin⁡(3t)y''_1\left(t\right)+y'_1\left(t\right)+y_1\left(t\right)=-9a\cos\left(3 t\right)-9b\sin\left(3 t\right)-3a\sin\left(3 t\right)+ 3b\cos\left(3 t\right)+a\cos\left(3 t\right)+ b\sin\left(3 t\right)
    y1′′(t)+y1′(t)+y1(t)=(−9a+a+3b)cos⁡(3t)+(−9b−3a+b)sin⁡(3t)y''_1\left(t\right)+y'_1\left(t\right)+y_1\left(t\right)=\left(-9a+a+3b\right)\cos\left(3 t\right)+\left(-9b-3a+b\right)\sin\left(3 t\right)
    y1′′(t)+y1′(t)+y1(t)=(−8a+3b)cos⁡(3t)+(−3a−8b)sin⁡(3t)y''_1\left(t\right)+y'_1\left(t\right)+y_1\left(t\right)=\left(-8a+3b\right)\cos\left(3 t\right)+\left(-3a-8b\right)\sin\left(3 t\right)
    Or nous savons que : y1′′(t)+y1′(t)+y1(t)=−2cos⁡(3t)+4sin⁡(3t)y''_1\left(t\right)+y'_1\left(t\right)+y_1\left(t\right)=\red{-2}\cos\left(3t\right)+{\color{blue}{4}}\sin\left(3t\right)
    {−8a+3b=−2−3a−8b=4\left\{\begin{array}{ccccccc} {-8a+3b} & {=} & {{\color{red}-2}} \\ {-3a-8b} & {=} & {{\color{blue}{4}}} \end{array}\right.
    Pour tout réel tt, par identification, on a :
    {a=473b=−3873\left\{\begin{array}{ccccccc} {a} & {=} & {\frac{4}{73}} \\ {b} & {=} & {-\frac{38}{73}} \end{array}\right.
    Ainsi : y1(t)=473cos⁡(3t)−3873sin⁡(3t)y_1\left(t\right)=\frac{4}{73}\cos\left(3 t\right)-\frac{38}{73}\sin\left(3 t\right)
    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)=e−12t(C1cos⁡(32t)+C2sin⁡(32t))+473cos⁡(3t)−3873sin⁡(3t)y\left(t\right)=e^{-\frac{1}{2} t}\left(C_1\cos\left(\frac{\sqrt{3}}{2} t\right)+C_2\sin\left(\frac{\sqrt{3}}{2} t\right)\right)+\frac{4}{73}\cos\left(3 t\right)-\frac{38}{73}\sin\left(3 t\right)
    où C1C_1 et C2C_2 sont des constantes réelles quelconques.
    Question 2

    Résoudre, sur R\mathbb{R}, l'équation différentielle : y′′+2y′−3y=5cos⁡(t)y''+2y'-3y=5\cos\left(t\right)

    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
    Premier cas :
    Le seconde membre est de la forme ↦P(t)cos⁡(ωt)+Q(t)sin⁡(ωt)\mapsto P\left(t\right)\cos\left(\omega t\right)+ Q\left(t\right)\sin\left(\omega t\right)
    Si ni la fonction t↦cos⁡(ωt)t\mapsto \cos\left(\omega t\right) et ni la fonction t↦sin⁡(ωt)t\mapsto \sin\left(\omega t\right) ne sont solutions de (E0)\left(E_0\right) , on cherche alors une solution particulière de la forme :
    y1(t)=α(t)cos⁡(ωt)+α(t)sin⁡(ωt)y_1\left(t\right)=\alpha\left(t\right)\cos\left(\omega t\right)+ \alpha\left(t\right)\sin\left(\omega t\right) où où α\alpha et β\beta sont des fonctions de degré Max(deg⁡(P),deg⁡(Q))\text{Max}\left(\deg\left(P\right),\deg\left(Q\right)\right)
    Deuxième cas :
    Si la fonction t↦cos⁡(ωt)t\mapsto \cos\left(\omega t\right) ou si la fonction t↦sin⁡(ωt)t\mapsto \sin\left(\omega t\right) sont solutions de (E0)\left(E_0\right) , on cherche alors une solution particulière de la forme :
    y1(t)=α(t)cos⁡(ωt)+α(t)sin⁡(ωt)y_1\left(t\right)=\alpha\left(t\right)\cos\left(\omega t\right)+ \alpha\left(t\right)\sin\left(\omega t\right) où où α\alpha et β\beta sont des fonctions de degré (Max(deg⁡(P),deg⁡(Q))+1)\left(\text{Max}\left(\deg\left(P\right),\deg\left(Q\right)\right)+1\right)
    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′′+2y′−3y=0\left(E_0\right) :y''+2y'-3y=0
    Nous allons commencer par donner l'équation caractéristique de (E0)\left(E_0\right) .
    On obtient : Δ>0\Delta>0 ; r1=1r_1=1 et r2=−3r_2=-3.
    L'ensemble des solutions réelles de (E0)\left(E_0\right) est l'ensemble des fonctions de la forme :
    y0(t)=C1et+C2e−3ty_0\left(t\right)=C_1e^{t}+C_2e^{-3t}
    où C1C_1 et C2C_2 sont des constantes réelles quelconques.
    Etape 2 : Recherche d'une solution particulière
    Le second membre est de la forme ↦P(t)cos⁡(ωt)+Q(t)sin⁡(ωt)\mapsto P\left(t\right)\cos\left(\omega t\right)+ Q\left(t\right)\sin\left(\omega t\right) avec P(t)=5P\left(t\right)=5 et Q(t)=0Q\left(t\right)=0
    Or deg⁡(P)=deg⁡(Q)=0\deg\left(P\right)=\deg\left(Q\right)=0 et ω=1\omega=1
    On vérifie facilement que :
  • la fonction t↦cos⁡(t)t\mapsto\cos\left(t\right) n'est pas solution de (E0)\left(E_0\right)
  • On cherche alors une solution particulière de la forme :
    y1(t)=α(t)cos⁡(t)+α(t)sin⁡(t)y_1\left(t\right)=\alpha\left(t\right)\cos\left(t\right)+ \alpha\left(t\right)\sin\left(t\right) où α\alpha et β\beta sont des fonctions de degré Max(deg⁡(P),deg⁡(Q))\text{Max}\left(\deg\left(P\right),\deg\left(Q\right)\right) ainsi deg⁡(α)=deg⁡(β)=0\deg\left(\alpha\right)=\deg\left(\beta\right)=0
    Il en résulte donc que :
    y1(t)=acos⁡(t)+bsin⁡(t)y_1\left(t\right)=a\cos\left(t\right)+ b\sin\left(t\right) où (a,b)∈R2\left(a,b\right)\in \mathbb{R}^{2}
    Ainsi :
    y1′(t)=−asin⁡(t)+bcos⁡(t)y'_1\left(t\right)=-a\sin\left(t\right)+ b\cos\left( t\right) et y1′′(t)=−acos⁡(t)−bsin⁡(t)y''_1\left(t\right)=-a\cos\left(t\right)-b\sin\left(t\right)
    On peut donc écrire que :
    y1′′(t)+2y1′(t)−3y1(t)=−acos⁡(t)−bsin⁡(t)+2(−asin⁡(t)+bcos⁡(t))−3(acos⁡(t)+bsin⁡(t))y''_1\left(t\right)+2y'_1\left(t\right)-3y_1\left(t\right)=-a\cos\left(t\right)-b\sin\left(t\right)+2\left(-a\sin\left(t\right)+ b\cos\left( t\right)\right)-3\left(a\cos\left(t\right)+ b\sin\left(t\right)\right)
    y1′′(t)+2y1′(t)−3y1(t)=(−4a+2b)cos⁡(t)+(−2a−4b)sin⁡(t)y''_1\left(t\right)+2y'_1\left(t\right)-3y_1\left(t\right)=\left(-4a+2b\right)\cos\left(t\right)+\left(-2a-4b\right)\sin\left(t\right)
    Or nous savons que : y1′′(t)+2y1′(t)−3y1(t)=5cos⁡(t)+0sin⁡(t)y''_1\left(t\right)+2y'_1\left(t\right)-3y_1\left(t\right)=\red{5}\cos\left(t\right)+{\color{blue}{0}}\sin\left(t\right)
    {−4a+2b=5−2a−4b=0\left\{\begin{array}{ccccccc} {-4a+2b} & {=} & {{\color{red}5}} \\ {-2a-4b} & {=} & {{\color{blue}{0}}} \end{array}\right.
    Pour tout réel tt, par identification, on a :
    {a=−1b=12\left\{\begin{array}{ccccccc} {a} & {=} & {-1} \\ {b} & {=} & {\frac{1}{2}} \end{array}\right.
    Ainsi : y1(t)=−cos⁡(t)+12sin⁡(t)y_1\left(t\right)=-\cos\left(t\right)+\frac{1}{2}\sin\left(t\right)
    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−3t−cos⁡(t)+12sin⁡(t)y\left(t\right)=C_1e^{t}+C_2e^{-3t}-\cos\left(t\right)+\frac{1}{2}\sin\left(t\right)
    où C1C_1 et C2C_2 sont des constantes réelles quelconques.

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