Certaines EDO demandent du travail et beaucoup de rigueur. En voici un exemple.
Question 1
Soit x∈R, soit y une fonction complexe. On note par i le nombre complexe tel que i2=−1.
Résoudre, sur C, l'équation différentielle (E) suivante : y′′(x)+y′(x)+(3i−1)y(x)=exsin(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). On a alors l'équation homogène suivante : yh′′(x)+yh′(x)+(3i−1)yh(x)=0 L'équation caractéristique associée est la suivante : r2+r+(3i−1)=0 Le discriminant associé est Δ=(1)2−4×1×(3i−1)=1−12i+4=5−12i∈C. Notons par δ=a+ib, avec (a;b)∈R2, les racines carrées du discriminant Δ. On a alors : δ2=Δ⟺(a+ib)2=5−12i=a2−b2+i2ab=5+i(−12) On en déduit alors que : ⎩⎨⎧a2−b2a2+b22ab===552+(−12)2−12⟺⎩⎨⎧a2−b2a2+b2ab===513−6<0 La somme, membres à membres, des deux premières lignes nous conduit à : 2a2=5+13⟺2a2=18⟺a2=9⟺a=±3 Puis, la soustraction, membres à membres, de la deuxième ligne avec la première, nous conduit à : 2b2=13−5⟺2b2=8⟺b2=4⟺b=±2 La troisième ligne nous apprend que les réels a et b sont de signes opposés. Ainsi, on en déduit que les deux racines carrées δ du discriminants Δ sont données par : δ=3−2iouδ=−3+2i On choisit arbitrairement l'expression δ=3−2i. Donc, les deux racines complexes r recherchées de l'équation caractéristique sont donc données par : ⎩⎨⎧r1r2==2−1+δ2−1−δ⟺⎩⎨⎧r1r2==2−1+3−2i2−1−3+2i⟺⎩⎨⎧r1r2==22−2i2−4+2i Après simplification, on obtient : ⎩⎨⎧r1r2==1−i−2+i Ainsi, avec (A;B)∈R2, la solution homogène yh(x) est donnée par : yh(x)=Ae(1−i)x+Be(−2+i)x Concernant la solution particulière yp(x) nous allons écrire le second membre en écriture complexe. On a alors avec les formules d'Euler : exsin(x)=ex2ieix−e−ix=2iexeix−exe−ix=2ie(1+i)x−e(1−i)x=2ie(1+i)x−2ie(1−i)x Ainsi, l'équation différentielle prend la forme : yp′′(x)+yp′(x)+(3i−1)yp(x)=2ie(1+i)x−2ie(1−i)x En appliquant le principe de superposition, on va donc pouvoir écrire que : yp(x)=yp1(x)+yp2(x) Telles que : ⎩⎨⎧yp1′′(x)+yp1′(x)+(3i−1)yp1(x)yp2′′(x)+yp2′(x)+(3i−1)yp2(x)==2ie(1+i)x−2ie(1−i)x On remarque alors que 1+i n'est pas solution de l'équation caractéristique, mais en revanche 1−i est une solution de l'équation caractéristique, donc 1−i est une racine (c'est r1) de l'équation caractéristique. C'est pourquoi, on pose les deux formes suivantes (avec (α;β)∈C2): ⎩⎨⎧yp1(x)yp2(x)==αe(1+i)xβxe(1−i)x Donc : ⎩⎨⎧yp1′(x)yp2′(x)==α(1+i)e(1+i)xβe(1−i)x+β(1−i)xe(1−i)x=β(1+(1−i)x)e(1−i)x Et : ⎩⎨⎧yp1′′(x)yp2′′(x)==α(1+i)2e(1+i)xβ(1−i)e(1−i)x+β(1−i)(1+(1−i)x)e(1−i)x Soit : ⎩⎨⎧yp1′′(x)yp2′′(x)==2αie(1+i)xβ(1−i)(1+1+(1−i)x)e(1−i)x=β(1−i)(2+(1−i)x)e(1−i)x En développant : ⎩⎨⎧yp1′′(x)yp2′′(x)==2αie(1+i)xβ(2(1−i)+(1−i)2x)e(1−i)x=β(2−2i−2ix)e(1−i)x Ce qui nous donne : ⎩⎨⎧yp1′′(x)yp2′′(x)==2αie(1+i)xβ(2(1−i)+(1−i)2x)e(1−i)x=2β(1−i−ix)e(1−i)x Ainsi, on a le système suivant : ⎩⎨⎧2αie(1+i)x+α(1+i)e(1+i)x+(3i−1)αe(1+i)x2β(1−i−ix)e(1−i)x+β(1+(1−i)x)e(1−i)x+(3i−1)xβe(1−i)x==2ie(1+i)x−2ie(1−i)x En simplifiant par les termes exponentiels (qui sont tous non-nuls), on obtient : ⎩⎨⎧2αi+α(1+i)+(3i−1)α2β(1−i−ix)+β(1+(1−i)x)+(3i−1)xβ==2i1−2i1 On obtient alors : ⎩⎨⎧α(2i+1+i+3i−1)β(2−2i−2ix+1+x−ix+3ix−x)==2i1−2i1 Soit : ⎩⎨⎧α6iβ(3−2i)==2i1−2i1⟺⎩⎨⎧αβ==2i×6i1−2i(3−2i)1⟺⎩⎨⎧αβ==−1212(3−2i)i Ce qui peut également s'écrire comme : ⎩⎨⎧αβ==−1212(3−2i)(3+2i)i(3+2i)⟺⎩⎨⎧αβ==−1212(9+4)−2+3i⟺⎩⎨⎧αβ==−12126−2+3i Ainsi, on obtient donc : ⎩⎨⎧yp1(x)yp2(x)==−121e(1+i)x(26−2+3i)xe(1−i)x De fait, on a : yp(x)=−121e(1+i)x+(26−2+3i)xe(1−i)x Ainsi la solution globale est donc donnée par l'expression suivante : y(x)=yh(x)+yp(x) A savoir : y(x)=Ae(1−i)x+Be(−2+i)x−121e(1+i)x+(26−2+3i)xe(1−i)x Finalement, on obtient le résultat suivant : y(x)=Be(−2+i)x−121e(1+i)x+(A−(262−3i)x)e(1−i)x