Une équation différentielle linéaire d'ordre quatre !
Question 1
Soit ω un nombre réel strictement positif. Soit t un nombre réel positif ou nul. On note par (E) l'équation différentielle du quatrième ordre suivante : y′′′′(t)−ω4y(t)=0.
Déterminer la solution générale y(t) de l'équation différentielle (E).
Correction
On a : y′′′′(t)−ω4y(t)=0⟺y′′′′(t)−ω4y(t)+ω2y′′(t)−ω2y′′(t)=0 Soit : y′′′′(t)−ω2y′′(t)+ω2(−ω2y(t)+y′′(t))=0 Soit encore : (y′′(t)−ω2y(t))′′+ω2(−ω2y(t)+y′′(t))=0 De même : (y′′(t)−ω2y(t))′′+ω2(y′′(t)−ω2y(t))=0 Posons alors f(t)=y′′(t)−ω2y(t). Ainsi, on trouve que : f′′(t)+ω2f(t)=0 Il s'agit d'une équation différentielle linéaire, du deuxième ordre, homogène et à coefficients constants. Elle est bien connue des physiciens puisque c'est celle qui décrit un oscillateur harmonique de grandeur f. On note i2=−1. L'équation caractéristique associée est : r2+ω2=0⟺r2=−ω2⟺r2=i2ω2⟺r2=(iω)2 Soit r=±iω=0±iω∈C On a alors, avec (a;b)∈R : f(t)=asin(ωt)+bcos(ωt) On a alors l'équation : y′′(t)−ω2y(t)=asin(ωt)+bcos(ωt) La solution homogène yh(t) se déduit de l'équation caractéristique associée, à savoir : r2−ω2=0⟺r2=ω2 Soit r=±ω∈R, donc yh(t)=ceωt+de−ωt où a et b sont deux constantes réelles. Or, on sait que : eωt=cosh(ωt)+sinh(ωt)ete−ωt=cosh(ωt)−sinh(ωt) Donc : yh(t)=c(cosh(ωt)+sinh(ωt))+d(cosh(ωt)−sinh(ωt)) Ainsi : yh(t)=(c+d)cosh(ωt)+(c−d)sinh(ωt) On pose alors C=c+d∈R et D=c−d∈R, et de fait : yh(t)=Ccosh(ωt)+Dsinh(ωt) Le second membre étant asin(ωt)+bcos(ωt) donc la solution particulière sera de forme mathématique similaire. On a alors, avec (A;B)∈R : yp(t)=Acos(ωt)+Bsin(ωt) Ainsi la solution globale y(t) est donnée par : y(t)yh(t)+yp(t) Finalement, on trouve que : y(t)=Ccosh(ωt)+Dsinh(ωt)+Acos(ωt)+Bsin(ωt)
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