Equations différentielles

Pour se mettre au défi ! - Exercice 1

1 h
90
Certaines EDO demandent du travail et beaucoup de rigueur. En voici un exemple.
Question 1
Soit xRx \in \mathbb{R}, soit yy une fonction complexe. On note par ii le nombre complexe tel que i2=1i^2 = -1.

Résoudre, sur C\mathbb{C}, l'équation différentielle (E)(E) suivante : y(x)+y(x)+(3i1)y(x)=exsin(x)y''(x) + y'(x) + (3i-1)y(x) = e^x \sin(x)

Correction
Il s'agit d'une équation différentielle linéaire, d'ordre deux, à coefficients complexes constants et avec un second membre.
Commençons par s'occuper de la solution homogène yh(x)y_h(x). On a alors l'équation homogène suivante :
yh(x)+yh(x)+(3i1)yh(x)=0y_h''(x) + y_h'(x) + (3i-1)y_h(x) = 0
L'équation caractéristique associée est la suivante :
r2+r+(3i1)=0r^2 + r + (3i-1) = 0
Le discriminant associé est Δ=(1)24×1×(3i1)=112i+4=512iC\Delta = (1)^2 - 4\times 1 \times (3i-1) = 1 - 12i +4 = 5 - 12i \in \mathbb{C}. Notons par δ=a+ib\delta = a+ib, avec (a;b)R2(a\,;\,b) \in \mathbb{R}^2, les racines carrées du discriminant Δ\Delta. On a alors :
δ2=Δ(a+ib)2=512i=a2b2+i2ab=5+i(12)\delta^2 = \Delta \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, (a+ib)^2 = 5 - 12i = a^2-b^2 + i \,2ab = 5 + i (-12)
On en déduit alors que :
{a2b2=5a2+b2=52+(12)22ab=12{a2b2=5a2+b2=13ab=6<0\left\lbrace \begin{array}{rcl} a^2 - b^2 & = & 5 \\ a^2+b^2 & = & \sqrt{5^2 + (-12)^2} \\ 2ab & = & -12 \end{array} \right. \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} a^2 - b^2 & = & 5 \\ a^2+b^2 & = & 13 \\ ab & = & -6 <0 \end{array} \right.
La somme, membres à membres, des deux premières lignes nous conduit à :
2a2=5+132a2=18a2=9a=±32a^2 = 5+13 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, 2a^2 = 18 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, a^2 = 9 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, a = \pm 3
Puis, la soustraction, membres à membres, de la deuxième ligne avec la première, nous conduit à :
2b2=1352b2=8b2=4b=±22b^2 = 13-5 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, 2b^2 = 8 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, b^2 = 4 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, b = \pm 2
La troisième ligne nous apprend que les réels aa et bb sont de signes opposés. Ainsi, on en déduit que les deux racines carrées δ\delta du discriminants Δ\Delta sont données par :
δ=32iouδ=3+2i\delta = 3-2i \,\,\, \mathrm{ou} \,\,\, \delta = -3+2i
On choisit arbitrairement l'expression δ=32i\delta = 3-2i. Donc, les deux racines complexes rr recherchées de l'équation caractéristique sont donc données par :
{r1=1+δ2r2=1δ2{r1=1+32i2r2=13+2i2{r1=22i2r2=4+2i2\left\lbrace \begin{array}{rcl} r_1 & = & \dfrac{-1 + \delta}{2} \\ & & \\ r_2 & = & \dfrac{-1 - \delta}{2} \end{array} \right. \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} r_1 & = & \dfrac{-1 + 3-2i}{2} \\ & & \\ r_2 & = & \dfrac{-1 - 3+2i}{2} \end{array} \right. \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} r_1 & = & \dfrac{2-2i}{2} \\ & & \\ r_2 & = & \dfrac{-4+2i}{2} \end{array} \right.
Après simplification, on obtient :
{r1=1ir2=2+i\left\lbrace \begin{array}{rcl} r_1 & = & 1-i \\ & & \\ r_2 & = & -2+i \end{array} \right.
Ainsi, avec (A;B)R2(A\,;\,B) \in \mathbb{R}^2, la solution homogène yh(x)y_h(x) est donnée par :
yh(x)=Ae(1i)x+Be(2+i)xy_h(x) = Ae^{(1-i)x} + Be^{(-2+i)x}
Concernant la solution particulière yp(x)y_p(x) nous allons écrire le second membre en écriture complexe. On a alors avec les formules d'EulerEuler :
exsin(x)=exeixeix2i=exeixexeix2i=e(1+i)xe(1i)x2i=e(1+i)x2ie(1i)x2ie^x \sin(x) = e^x \dfrac{e^{ix} - e^{-ix}}{2i} = \dfrac{e^xe^{ix} - e^xe^{-ix}}{2i} = \dfrac{e^{(1+i)x} - e^{(1-i)x}}{2i} = \dfrac{e^{(1+i)x}}{2i} - \dfrac{e^{(1-i)x}}{2i}
Ainsi, l'équation différentielle prend la forme :
yp(x)+yp(x)+(3i1)yp(x)=e(1+i)x2ie(1i)x2iy_p''(x) + y_p'(x) + (3i-1)y_p(x) = \dfrac{e^{(1+i)x}}{2i} - \dfrac{e^{(1-i)x}}{2i}
En appliquant le principe de superposition, on va donc pouvoir écrire que :
yp(x)=yp1(x)+yp2(x)y_p(x) = y_{p1}(x) + y_{p2}(x)
Telles que :
{yp1(x)+yp1(x)+(3i1)yp1(x)=e(1+i)x2iyp2(x)+yp2(x)+(3i1)yp2(x)=e(1i)x2i\left\lbrace \begin{array}{rcl} y_{p1}''(x) + y_{p1}'(x) + (3i-1)y_{p1}(x) & = & \dfrac{e^{(1+i)x}}{2i} \\ & & \\ y_{p2}''(x) + y_{p2}'(x) + (3i-1)y_{p2}(x) & = & -\dfrac{e^{(1-i)x}}{2i} \end{array} \right.
On remarque alors que 1+i1+i n'est pas solution de l'équation caractéristique, mais en revanche 1i1-i est une solution de l'équation caractéristique, donc 1i1-i est une racine (c'est r1r_1) de l'équation caractéristique.
C'est pourquoi, on pose les deux formes suivantes (avec (α;β)C2(\alpha\,;\,\beta) \in \mathbb{C}^2):
{yp1(x)=αe(1+i)xyp2(x)=βxe(1i)x\left\lbrace \begin{array}{rcl} y_{p1}(x) & = & \alpha e^{(1+i)x} \\ & & \\ y_{p2}(x) & = & \beta x e^{(1-i)x} \end{array} \right.
Donc :
{yp1(x)=α(1+i)e(1+i)xyp2(x)=βe(1i)x+β(1i)xe(1i)x=β(1+(1i)x)e(1i)x\left\lbrace \begin{array}{rcl} y'_{p1}(x) & = & \alpha (1+i) e^{(1+i)x} \\ & & \\ y'_{p2}(x) & = & \beta e^{(1-i)x} + \beta (1-i) xe^{(1-i)x} = \beta (1+(1-i)x)e^{(1-i)x} \end{array} \right.
Et :
{yp1(x)=α(1+i)2e(1+i)xyp2(x)=β(1i)e(1i)x+β(1i)(1+(1i)x)e(1i)x\left\lbrace \begin{array}{rcl} y''_{p1}(x) & = & \alpha (1+i)^2 e^{(1+i)x} \\ & & \\ y''_{p2}(x) & = & \beta (1-i)e^{(1-i)x} + \beta (1-i)(1+(1-i)x)e^{(1-i)x} \end{array} \right.
Soit :
{yp1(x)=2αie(1+i)xyp2(x)=β(1i)(1+1+(1i)x)e(1i)x=β(1i)(2+(1i)x)e(1i)x\left\lbrace \begin{array}{rcl} y''_{p1}(x) & = & 2\alpha i e^{(1+i)x} \\ & & \\ y''_{p2}(x) & = & \beta (1-i) \left( 1 + 1+(1-i)x\right) e^{(1-i)x} = \beta (1-i) \left( 2+(1-i)x\right) e^{(1-i)x}\end{array} \right.
En développant :
{yp1(x)=2αie(1+i)xyp2(x)=β(2(1i)+(1i)2x)e(1i)x=β(22i2ix)e(1i)x\left\lbrace \begin{array}{rcl} y''_{p1}(x) & = & 2\alpha i e^{(1+i)x} \\ & & \\ y''_{p2}(x) & = & \beta \left( 2(1-i)+(1-i)^2x\right) e^{(1-i)x} = \beta \left( 2-2i-2ix\right) e^{(1-i)x} \end{array} \right.
Ce qui nous donne :
{yp1(x)=2αie(1+i)xyp2(x)=β(2(1i)+(1i)2x)e(1i)x=2β(1iix)e(1i)x\left\lbrace \begin{array}{rcl} y''_{p1}(x) & = & 2\alpha i e^{(1+i)x} \\ & & \\ y''_{p2}(x) & = & \beta \left( 2(1-i)+(1-i)^2x\right) e^{(1-i)x} = 2\beta \left( 1-i-ix\right) e^{(1-i)x} \end{array} \right.
Ainsi, on a le système suivant :
{2αie(1+i)x+α(1+i)e(1+i)x+(3i1)αe(1+i)x=e(1+i)x2i2β(1iix)e(1i)x+β(1+(1i)x)e(1i)x+(3i1)xβe(1i)x=e(1i)x2i\left\lbrace \begin{array}{rcl} 2\alpha i e^{(1+i)x} + \alpha (1+i) e^{(1+i)x} + (3i-1)\alpha e^{(1+i)x} & = & \dfrac{e^{(1+i)x}}{2i} \\ & & \\ 2\beta \left( 1-i-ix\right) e^{(1-i)x} + \beta (1+(1-i)x)e^{(1-i)x} + (3i-1)x\beta e^{(1-i)x} & = & -\dfrac{e^{(1-i)x}}{2i} \end{array} \right.
En simplifiant par les termes exponentiels (qui sont tous non-nuls), on obtient :
{2αi+α(1+i)+(3i1)α=12i2β(1iix)+β(1+(1i)x)+(3i1)xβ=12i\left\lbrace \begin{array}{rcl} 2\alpha i + \alpha (1+i) + (3i-1)\alpha & = & \dfrac{1}{2i} \\ & & \\ 2\beta \left( 1-i-ix\right) + \beta (1+(1-i)x) + (3i-1)x\beta & = & -\dfrac{1}{2i} \end{array} \right.
On obtient alors :
{α(2i+1+i+3i1)=12iβ(22i2ix+1+xix+3ixx)=12i\left\lbrace \begin{array}{rcl} \alpha \left( 2i + 1 + i + 3i - 1 \right) & = & \dfrac{1}{2i} \\ & & \\ \beta \left( 2-2i-2ix +1+x-ix+3ix-x \right) & = & -\dfrac{1}{2i} \end{array} \right.
Soit :
{α6i=12iβ(32i)=12i{α=12i×6iβ=12i(32i){α=112β=i2(32i)\left\lbrace \begin{array}{rcl} \alpha 6i & = & \dfrac{1}{2i} \\ & & \\ \beta \left( 3 -2i \right) & = & -\dfrac{1}{2i} \end{array} \right. \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} \alpha & = & \dfrac{1}{2i \times 6i} \\ & & \\ \beta & = & -\dfrac{1}{2i\left( 3 -2i \right)} \end{array} \right. \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} \alpha & = & -\dfrac{1}{12} \\ & & \\ \beta & = & \dfrac{i}{2\left( 3 -2i \right)} \end{array} \right.
Ce qui peut également s'écrire comme :
{α=112β=i(3+2i)2(32i)(3+2i){α=112β=2+3i2(9+4){α=112β=2+3i26\left\lbrace \begin{array}{rcl} \alpha & = & -\dfrac{1}{12} \\ & & \\ \beta & = & \dfrac{i\left( 3 +2i \right)}{2\left( 3 -2i \right)\left( 3 +2i \right)} \end{array} \right. \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} \alpha & = & -\dfrac{1}{12} \\ & & \\ \beta & = & \dfrac{-2 +3i}{2\left( 9+4 \right)} \end{array} \right. \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} \alpha & = & -\dfrac{1}{12} \\ & & \\ \beta & = & \dfrac{-2 +3i}{26} \end{array} \right.
Ainsi, on obtient donc :
{yp1(x)=112e(1+i)xyp2(x)=(2+3i26)xe(1i)x\left\lbrace \begin{array}{rcl} y_{p1}(x) & = & -\dfrac{1}{12} e^{(1+i)x} \\ & & \\ y_{p2}(x) & = & \left( \dfrac{-2 +3i}{26}\right) x e^{(1-i)x} \end{array} \right.
De fait, on a :
yp(x)=112e(1+i)x+(2+3i26)xe(1i)xy_p(x) = -\dfrac{1}{12} e^{(1+i)x} + \left( \dfrac{-2 +3i}{26}\right) x e^{(1-i)x}
Ainsi la solution globale est donc donnée par l'expression suivante :
y(x)=yh(x)+yp(x)y(x) = y_h(x) + y_p(x)
A savoir :
y(x)=Ae(1i)x+Be(2+i)x112e(1+i)x+(2+3i26)xe(1i)xy(x) = Ae^{(1-i)x} + Be^{(-2+i)x} - \dfrac{1}{12} e^{(1+i)x} + \left( \dfrac{-2 +3i}{26}\right) x e^{(1-i)x}
Finalement, on obtient le résultat suivant :
y(x)=Be(2+i)x112e(1+i)x+(A(23i26)x)e(1i)x{\color{red}{\boxed{y(x) = Be^{(-2+i)x} - \dfrac{1}{12} e^{(1+i)x} + \left( A - \left( \dfrac{2 - 3i}{26}\right) x \right) e^{(1-i)x}}}}