Equations différentielles

Une équation cinétique forcée sinusoïdalement - Exercice 1

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En Physique, une EDO du premier ordre est associée à des effets cinétiques. En voici un exemple dans lequel la cinétique est guidée (on dit également forcée) par une excitation sinusoïdale.
Question 1
Soit BB, AeA_e et ωe\omega_e trois constantes réelles et strictement positives. On considère l'équation différentielle ordinaire suivante :
dfdx(x)+Bf(x)=Aesin(ωex)\dfrac{d \, f}{dx}(x) + B \, f(x) = A_e \sin(\omega_e x)

Déterminer la solution homogène fHf_H

Correction
La solution homogène fHf_H est donnée par :
fH(x)=KeBx(KR){\color{blue}{\boxed{f_H(x) = K \, e^{-Bx} \,\,\,\, (K \in \mathbb{R})}}}
Question 2

Déterminer la solution particulière fPf_P.

Correction
La solution particulière fPf_P est de la forme :
fP(x)=αcos(ωex)+βsin(ωex)((α;β)R2)f_P(x) = \alpha \cos(\omega_e x) + \beta \sin(\omega_e x) \,\,\,\, ((\alpha\,;\,\beta) \in \mathbb{R}^2)
Donc :
dfPdx(x)=αωesin(ωex)+βωecos(ωex)((α;β)R2)\dfrac{d \, f_P}{dx}(x) = -\alpha\omega_e \sin(\omega_e x) + \beta\omega_e \cos(\omega_e x) \,\,\,\, ((\alpha\,;\,\beta) \in \mathbb{R}^2)
L'EDO devient alors :
αωesin(ωex)+βωecos(ωex)+Bαcos(ωex)+Bβsin(ωex)=Aesin(ωex)-\alpha\omega_e \sin(\omega_e x) + \beta\omega_e \cos(\omega_e x) + B\alpha \cos(\omega_e x) + B\beta \sin(\omega_e x) = A_e \sin(\omega_e x)
Dès lors, on a alors :
(Bβαωe)sin(ωex)+(Bα+βωe)cos(ωex)=Aesin(ωex)+0cos(ωex)({\color{red}{B\beta -\alpha\omega_e}}) \sin(\omega_e x) + ({\color{blue}{B\alpha + \beta\omega_e}}) \cos(\omega_e x) = {\color{red}{A_e}} \sin(\omega_e x) + {\color{blue}{0}} \cos(\omega_e x)
Ce qui nous donne :
{Bβαωe=AeBα+βωe=0{Bβαωe=Aeβ=Bαωe\left\lbrace \begin{array}{rcl} {\color{red}{B\beta -\alpha\omega_e}} & = & {\color{red}{A_e}} \\ & & \\ {\color{blue}{B\alpha + \beta\omega_e}} & = & {\color{blue}{0}} \\ \end{array} \right. \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} {\color{red}{B\beta -\alpha\omega_e}} & = & {\color{red}{A_e}} \\ & & \\ {\color{blue}{\beta}} & = & {\color{blue}{-\dfrac{B\alpha}{\omega_e}}} \\ \end{array} \right.
Donc :
BBαωeαωe=AeB2αωe+αωe=Aeα(B2ωe+ωe)=Ae-B\dfrac{B\alpha}{\omega_e} - \alpha\omega_e = A_e \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, B^2\dfrac{\alpha}{\omega_e} + \alpha\omega_e = - A_e \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, \alpha \left( \dfrac{B^2}{\omega_e} + \omega_e \right) = - A_e
Ce qui nous donne :
α(B2+ωe2ωe)=Aeα=AeωeB2+ωe2\alpha \left( \dfrac{B^2 + \omega_e^2}{\omega_e} \right) = - A_e \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, \alpha = - \dfrac{A_e \omega_e}{B^2 + \omega_e^2}
On en déduit immédiatement que :
β=Bαωe=Bωe×AeωeB2+ωe2=AeBB2+ωe2\beta = -\dfrac{B\alpha}{\omega_e} = -\dfrac{B}{\omega_e} \times - \dfrac{A_e \omega_e}{B^2 + \omega_e^2} = \dfrac{A_e B}{B^2 + \omega_e^2}
La solution particulière est donc donnée par :
fP(x)=AeωeB2+ωe2cos(ωex)+AeBB2+ωe2sin(ωex)f_P(x) = - \dfrac{A_e \omega_e}{B^2 + \omega_e^2} \cos(\omega_e x) + \dfrac{A_e B}{B^2 + \omega_e^2} \sin(\omega_e x)
A savoir :
fP(x)=AeB2+ωe2(ωecos(ωex)+Bsin(ωex)){\color{blue}{\boxed{f_P(x) = \dfrac{A_e}{B^2 + \omega_e^2} \, \left( - \omega_e \cos(\omega_e x) + B \sin(\omega_e x) \right) }}}
Question 3

Déterminer la solution générale ff de cette EDO.

Correction
La solution générale ff de cette EDO linéaire est donnée par :
f(x)=fH(x)+fP(x)f(x) = f_H(x) + f_P(x)
Ce qui nous donne :
f(x)=KeBx+AeB2+ωe2(ωecos(ωex)+Bsin(ωex))(KR){\color{red}{\boxed{ f(x) = K \, e^{-Bx} + \dfrac{A_e}{B^2 + \omega_e^2} \, \left( - \omega_e \cos(\omega_e x) + B \sin(\omega_e x) \right) \,\,\,\, (K \in \mathbb{R}) }}}
Question 4

On pose B=3B = \sqrt{3}, Ae=6A_e = 6 et ωe=1\omega_e = 1. Déterminer la solution ff qui correspond à la condition initiale f(x=0)=0f(x=0) = 0.

Correction
La condition initiale est f(x=0)=0f(x=0) = 0. Donc :
KeB0+AeB2+ωe2(ωecos(ωe0)+Bsin(ωe0))=0K \, e^{-B0} + \dfrac{A_e}{B^2 + \omega_e^2} \, \left( - \omega_e \cos(\omega_e 0) + B \sin(\omega_e 0) \right) = 0
Soit :
K+AeB2+ωe2(ωe+0)=0KAeωeB2+ωe2=0K=AeωeB2+ωe2K + \dfrac{A_e}{B^2 + \omega_e^2} \, \left( - \omega_e + 0 \right) = 0 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, K - \dfrac{A_e \omega_e}{B^2 + \omega_e^2} = 0 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, K = \dfrac{A_e \omega_e} {B^2 + \omega_e^2}
D'où :
f(x)=AeωeB2+ωe2eBx+AeB2+ωe2(ωecos(ωex)+Bsin(ωex))f(x) = \dfrac{A_e \omega_e}{B^2 + \omega_e^2} \, e^{-Bx} + \dfrac{A_e}{B^2 + \omega_e^2} \, \left( - \omega_e \cos(\omega_e x) + B \sin(\omega_e x) \right)
Ainsi :
Ce qui nous donne :
f(x)=AeB2+ωe2(ωe(eBxcos(ωex))+Bsin(ωex)){\color{red}{\boxed{f(x) = \dfrac{A_e}{B^2 + \omega_e^2} \, \left( \omega_e \left( e^{-Bx} - \cos(\omega_e x) \right) + B \sin(\omega_e x) \right) }}}
Finalement, on pose B=3B = \sqrt{3}, Ae=6A_e = 6 et ωe=1\omega_e = 1. On a alors la solution suivante :
f(x)=32(e3xcos(x)+3sin(x)){\color{red}{\boxed{f(x) = \dfrac{3}{2} \, \left( e^{-\sqrt{3}x} - \cos(x) + \sqrt{3} \sin(x) \right) }}}
Il est possible d'écrire ceci autrement. En effet :
cos(x)+3sin(x)=2(12cos(x)+32sin(x))=2sin(xπ6)- \cos(x) + \sqrt{3} \sin(x) = 2 \left( - \dfrac{1}{2} \cos(x) + \dfrac{\sqrt{3}}{2 \sin(x)} \right) = 2 \sin \left( x - \dfrac{\pi}{6} \right)
Ce qui nous donne donc :
f(x)=32(e3x+2sin(xπ6)){\color{blue}{\boxed{f(x) = \dfrac{3}{2} \, \left( e^{-\sqrt{3}x} + 2 \sin \left( x - \dfrac{\pi}{6} \right) \right) }}}