Le principe de superposition permet de trouver une solution particulière d'une équation différentielle lineˊaire et dont le second membre se présente sous la forme d'une 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 E suivante : y′′(t)−5y′(t)+4y(t)=2e−t+3cos(2t). Déterminer la solution générale de l'équation différentielle linéaire du second ordre E.
Correction
L'équation différentielle homogène associée à E est : yh′′(t)−5yh′(t)+4yh(t)=0 L'équation caractéristique est alors : r2−5r+4=0 Le discriminant associé est Δ=(−5)2−4×1×4=9>0. On en déduit les deux racines complexes conjuguées suivantes qui en découlent : ⎩⎨⎧r1r2==2−(−5)+92−(−5)−9 Soit : ⎩⎨⎧r1r2==41 Ainsi, la solution homogène est donnée par : yh(t)=C1et+C2e4t(C1,C2)∈R2 Le second membre est 2e−t+3cos(2t). Il est donc composé d'une somme de deux termes, à savoir 2e−t et 3cos(2t). Il y aura donc deux solutions particulières yp1 et yp2. Puis, nous écrirons que yp(t)=yp1(t)+yp2(t). On va donc considérer successivement les deux équations différentielles suivantes : ⎩⎨⎧yp1′′(t)−5yp1′(t)+4yp1(t)yp2′′(t)−5yp2′(t)+4yp2(t)==2e−t3cos(2t) Concernant la première équation, à savoir yp1′′(t)−5yp1′(t)+4yp1(t)=2e−t Le second membre t↦2e−t est de la forme P(t)emt avec deg(P)=0 et m=−1 . Or m=−1 n'est pas une racine de l'équation caractéristique . On cherche alors une solution particulière de la forme yp1(t)=Q(t)emt où deg(Q)=deg(P) . Autrement dit : yp1(t)=Ae−t où A∈R Il vient alors que yp1′(t)=−Ae−t et yp1′′(t)=Ae−t yp1′′(t)−5yp1′(t)+4yp1(t)=2e−t équivaut successivement à : Ae−t−5×(−Ae−t)+4Ae−t=2e−t A+5A+4A=2 10A=2 A=102 Ainsi : A=51 Ce qui nous permet d'écrire que la solution particulière yp1 est :
yp1(t)=51e−t
Concernant la seconde équation, à savoir yp2′′(t)−5yp2′(t)+4yp2(t)=3cos(2t), on recherche une solution particulière yp2 de la forme yp2(t)=acos(2t)+bsin(2t) avec (a,b)∈R2. On en déduit immédiatement que : yp2′(t)=−2asin(2t)+2bcos(2t)⟹yp2′′(t)=−4acos(2t)−4bsin(2t) En remplaçant dans l'équation différentielle yp2′′(t)−5yp2′(t)+4yp2(t)=3cos(2t), cette dernière prend la forme suivante : −4acos(2t)−4bsin(2t)−5×(−2asin(2t)+2bcos(2t))+4×(acos(2t)+bsin(2t))=3cos(2t) Ce qui nous donne : (−4a−10b+4a)cos(2t)+(−4b+10a+4b)sin(2t)=3cos(2t)+0sin(2t) −10bcos(2t)+10asin(2t)=3cos(2t)+0sin(2t) Ainsi : {−10b10a==30 {ba==−1030 Ce qui nous permet d'écrire que la solution particulière yp2 est : yp2(t)=0cos(2t)−103sin(2t) c'est à dire
yp2(t)=−103sin(2t)
De ceci, on en déduit donc immédiatement que la solution particulière yp(t) est donnée par : yp(t)=yp1(t)+yp2(t)=51e−t−103sin(2t) Finalement, on obtient la solution générale de l'équation différentielle linéaire E, à savoir y(t), est donnée par la somme yh(t)+yp(t). Donc : y(t)=yh(t)+yp(t)=C1et+C2e4t+51e−t−103sin(2t)(C1,C2)∈R2
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