Equations différentielles

Principe de superposition - Exercice 2

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Le principe de superposition permet de trouver une solution particulière d'une équation différentielle lineˊaire{\color{red}{\textbf{linéaire}}} et dont le second membre se présente sous la forme d'une somme{\color{red}{\textbf{somme}}}.
La solution particulière de l'équation différentielle considérée est alors la somme des solutions particulières associée à chacun des termes qui constitue la somme du second membre.
Question 1

On considère l'équation différentielle EE suivante : y(t)5y(t)+4y(t)=2et+3cos(2t)y''(t) - 5y'(t) + 4 y(t) = 2e^{-t} + 3 \cos(2t).
Déterminer la solution générale de l'équation différentielle linéaire du second ordre EE.

Correction
L'équation différentielle homogène associée à EE est :
yh(t)5yh(t)+4yh(t)=0y_h''(t) - 5 y_h'(t) + 4 y_h(t) = 0
L'équation caractéristique est alors :
r25r+4=0r^2 - 5 r + 4 = 0
Le discriminant associé est Δ=(5)24×1×4=9>0\Delta = (-5)^2 - 4 \times 1 \times 4 = 9>0. On en déduit les deux racines complexes conjuguées suivantes qui en découlent :
{r1=(5)+92r2=(5)92\left\lbrace \begin{array}{rcl} r_1 & = & \dfrac{-(-5) + \sqrt{9}}{2} \\ & & \\ r_2 & = & \dfrac{-(-5) - \sqrt{9}}{2} \\ \end{array} \right.
Soit :
{r1=4r2=1\left\lbrace \begin{array}{rcl} r_1 & = & 4 \\ & & \\ r_2 & = & 1 \\ \end{array} \right.
Ainsi, la solution homogène est donnée par :
yh(t)=C1et+C2e4t(C1,C2)R2{\color{blue}{\boxed{y_h(t) = C_1e^{t}+C_2e^{4t} \,\,\,\,\,\,\, (C_1,C_2) \in \mathbb{R}^2}}}
Le second membre est 2et+3cos(2t)2e^{-t} + 3 \cos(2t). Il est donc composé d'une somme de deux termes, à savoir 2et2e^{-t} et 3cos(2t)3\cos(2t). Il y aura donc deux solutions particulières yp1y_{p1} et yp2y_{p2}. Puis, nous écrirons que yp(t)=yp1(t)+yp2(t)y_p(t) = y_{p1}(t) + y_{p2}(t).
On va donc considérer successivement les deux équations différentielles suivantes :
{yp1(t)5yp1(t)+4yp1(t)=2etyp2(t)5yp2(t)+4yp2(t)=3cos(2t)\left\lbrace \begin{array}{rcl} y_{p1}''(t) - 5 y_{p1}'(t) + 4 y_{p1}(t) & = & 2e^{-t} \\ & & \\ y_{p2}''(t) - 5 y_{p2}'(t) + 4 y_{p2}(t) & = & 3 \cos(2t) \\ \end{array} \right.
Concernant la première équation, à savoir yp1(t)5yp1(t)+4yp1(t)=2et y_{p1}''(t) - 5 y_{p1}'(t) + 4y_{p1}(t) = 2e^{-t}
Le second membre t2ett\mapsto 2e^{-t} est de la forme P(t)emtP\left(t\right)e^{mt} avec deg(P)=0\deg\left(P\right)=0 et m=1m=-1 .
Or m=1m=-1 n'est pas une racine de l'équation caractéristique .
On cherche alors une solution particulière de la forme yp1(t)=Q(t)emty_{p1}\left(t\right)=Q\left(t\right)e^{mt}deg(Q)=deg(P)\deg\left(Q\right)=\deg\left(P\right) .
Autrement dit : yp1(t)=Aety_{p1}\left(t\right)=Ae^{-t}ARA\in \mathbb{R}
Il vient alors que yp1(t)=Aety_{p1}' \left(t\right)=-Ae^{-t} et yp1(t)=Aety_{p1}'' \left(t\right)=Ae^{-t}
yp1(t)5yp1(t)+4yp1(t)=2ety_{p1}'' \left(t\right)-5y_{p1}' \left(t\right)+4y_{p1} \left(t\right)=2e^{-t} équivaut successivement à :
Aet5×(Aet)+4Aet=2etAe^{-t}-5\times\left(-Ae^{-t}\right)+4Ae^{-t}=2e^{-t}
A+5A+4A=2A+5A+4A=2
10A=210A=2
A=210A=\frac{2}{10}
Ainsi : A=15A=\frac{1}{5}
Ce qui nous permet d'écrire que la solution particulière yp1y_{p1} est :
yp1(t)=15ety_{p1}(t) = \frac{1}{5}e^{-t}

Concernant la seconde équation, à savoir yp2(t)5yp2(t)+4yp2(t)=3cos(2t)y_{p2}''(t) - 5 y_{p2}'(t) + 4 y_{p2}(t) = 3 \cos(2t), on recherche une solution particulière yp2y_{p2} de la forme yp2(t)=acos(2t)+bsin(2t)y_{p2}(t) = a \cos(2t) + b \sin(2t) avec (a,b)R2 (a,b)\in \mathbb{R}^2. On en déduit immédiatement que :
yp2(t)=2asin(2t)+2bcos(2t)yp2(t)=4acos(2t)4bsin(2t)y'_{p2}(t) = -2a \sin(2t) + 2b \cos(2t) \,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\, y''_{p2}(t) = - 4a \cos(2t) - 4b \sin(2t)
En remplaçant dans l'équation différentielle yp2(t)5yp2(t)+4yp2(t)=3cos(2t)y_{p2}''(t) - 5 y_{p2}'(t) + 4 y_{p2}(t) = 3 \cos(2t), cette dernière prend la forme suivante :
4acos(2t)4bsin(2t)5×(2asin(2t)+2bcos(2t))+4×(acos(2t)+bsin(2t))=3cos(2t)- 4a \cos(2t) - 4b \sin(2t) - 5 \times\left( -2a \sin(2t) + 2b \cos(2t) \right) + 4\times \left( a \cos(2t) + b \sin(2t) \right) = 3 \cos(2t)
Ce qui nous donne :
(4a10b+4a)cos(2t) +(4b+10a+4b)sin(2t) =3cos(2t) +0sin(2t) \left(-4a-10b+4a\right){\mathrm{cos} \left(2t\right)\ }+\left(-4b+10a+4b\right){\mathrm{sin} \left(2t\right)\ }=3{\mathrm{cos} \left(2t\right)\ }+0{\mathrm{sin} \left(2t\right)\ }
10bcos(2t) +10asin(2t) =3cos(2t) +0sin(2t) -10b{\mathrm{cos} \left(2t\right)\ }+10a{\mathrm{sin} \left(2t\right)\ }=3{\mathrm{cos} \left(2t\right)\ }+0{\mathrm{sin} \left(2t\right)\ }
Ainsi :
{10b=310a=0\left\{ \begin{array}{ccc}-10b & = & 3 \\ 10a & = & 0 \end{array}\right.
{b=310a=0\left\{ \begin{array}{ccc}b & = & -\frac{3}{10} \\ a & = & 0 \end{array}\right.
Ce qui nous permet d'écrire que la solution particulière yp2y_{p2} est :
yp2(t)=0cos(2t)310sin(2t)y_{p2}(t) = 0 \cos(2t) - \dfrac{3}{10} \sin(2t) c'est à dire
yp2(t)=310sin(2t)y_{p2}(t) = - \dfrac{3}{10} \sin(2t)

De ceci, on en déduit donc immédiatement que la solution particulière yp(t)y_p(t) est donnée par :
yp(t)=yp1(t)+yp2(t)=15et310sin(2t){\color{blue}{\boxed{y_p(t) = y_{p1}(t) + y_{p2}(t) = \frac{1}{5}e^{-t} - \dfrac{3}{10} \sin(2t) }}}
Finalement, on obtient la solution générale de l'équation différentielle linéaire EE, à savoir y(t)y(t), est donnée par la somme yh(t)+yp(t)y_h(t) + y_p(t). Donc :
y(t)=yh(t)+yp(t)=C1et+C2e4t+15et310sin(2t)(C1,C2)R2{\color{red}{\boxed{y(t) = y_h(t) + y_p(t) = C_1e^{t}+C_2e^{4t} +\frac{1}{5}e^{-t} - \dfrac{3}{10} \sin(2t) \,\,\,\,\,\,\, (C_1,C_2) \in \mathbb{R}^2 }}}