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Exercice 10 - Exercice 1

50 min
75
Un exemple essentiel. Il s'agit d'un modèle fondamental en Physique : l'oscillateur harmonique forcé sinusoidalement.
Question 1
Soit ω0\omega_0 un nombre réel strictement positif.
Soit C0C_0 un nombre réel strictement positif.
Soit ff une fonction causale, continue sur R+\mathbb{R}^+ et au moins deux fois dérivable sur ce même intervalle. Cette fonction ff vérifie les deux conditions initiales suivantes : f(0)=f0Rf(0) = f_0 \in \mathbb{R} et f(0)=v0Rf'(0) = v_0 \in \mathbb{R}.
En outre cette fonction ff satisfait à l'équation différentielle ordinaire (EDO) suivante :
f(x)+ω02f(x)=C0sin(ωx)f''(x) + \omega_0^2 f(x) = C_0 \sin(\omega x)

Déterminer l'image de la fonction ff qui convient.

Correction
Prenons la transformée de Laplace de cette équation différentielle. On a alors :
TLp[f(x)+ω02f(x)]=TLp[C0sin(ωx)]TL_p\left[ f''(x) + \omega_0^2 f(x) \right] = TL_p\left[ C_0 \sin(\omega x) \right]
Par linéarité, on obtient :
TLp[f(x)]+ω02TLp[f(x)]=C0TLp[sin(ωx)]TL_p\left[ f''(x) \right] + \omega_0^2 \, TL_p\left[ f(x) \right] = C_0 \, TL_p\left[ \sin(\omega x) \right]
Notons F(p)=TLp[f(x)]F(p) = TL_p\left[ f(x) \right]. On a alors :
p2F(p)pf(0)f(0)+ω02F(p)=C0ωp2+ω2p^2 F(p) - p f(0) - f'(0) + \omega_0^2 \, F(p) = C_0 \, \dfrac{\omega}{p^2 + \omega^2}
En tenant compte des conditions initiales, on a :
p2F(p)pf0v0+ω02F(p)=C0ω1p2+ω2p^2 F(p) - p f_0 - v_0 + \omega_0^2 \, F(p) = C_0 \omega \, \dfrac{1}{p^2 + \omega^2}
Soit :
p2F(p)+ω02F(p)=pf0+v0+C0ωp2+ω2p^2 F(p) + \omega_0^2 \, F(p) = p f_0 + v_0 + \dfrac{C_0 \omega}{p^2 + \omega^2}
En factorisant :
(p2+ω02)F(p)=(pf0+v0)(p2+ω2)p2+ω2+C0ωp2+ω2\left( p^2 + \omega_0^2 \right) F(p) = \dfrac{(p f_0 + v_0)(p^2 + \omega^2)}{p^2 + \omega^2} + \dfrac{C_0 \omega}{p^2 + \omega^2}
Soit :
(p2+ω02)F(p)=(pf0+v0)(p2+ω2)+C0ωp2+ω2\left( p^2 + \omega_0^2 \right) F(p) = \dfrac{(p f_0 + v_0)(p^2 + \omega^2) + C_0 \omega}{p^2 + \omega^2}
Soit encore :
F(p)=(pf0+v0)(p2+ω2)+C0ω(p2+ω02)(p2+ω2)F(p) = \dfrac{(p f_0 + v_0)(p^2 + \omega^2) + C_0 \omega}{(p^2 + \omega_0^2) (p^2 + \omega^2)}
Ce qui va également s'écrire comme :
F(p)=(pf0+v0)(p2+ω2)(p2+ω02)(p2+ω2)+C0ω(p2+ω02)(p2+ω2)F(p) = \dfrac{(p f_0 + v_0)(p^2 + \omega^2)}{(p^2 + \omega_0^2) (p^2 + \omega^2)} + \dfrac{C_0 \omega}{(p^2 + \omega_0^2) (p^2 + \omega^2)}
En développant le numérateur du premier terme du second membre, on obtient :
F(p)=f0p3+v0p2+f0ω2p+v0ω2(p2+ω02)(p2+ω2)+C0ω(p2+ω02)(p2+ω2)F(p) = \dfrac{f_0 \, p^3 + v_0 \, p^2 + f_0 \omega^2 \, p + v_0 \omega^2}{(p^2 + \omega_0^2) (p^2 + \omega^2)} + \dfrac{C_0 \omega}{(p^2 + \omega_0^2) (p^2 + \omega^2)}
Nous allons écrire cela comme :
F(p)=f0p3(p2+ω02)(p2+ω2)+v0p2(p2+ω02)(p2+ω2)+f0ω2p(p2+ω02)(p2+ω2)+v0ω2+C0ω(p2+ω02)(p2+ω2)F(p) = \dfrac{f_0 \, p^3 }{(p^2 + \omega_0^2) (p^2 + \omega^2)} + \dfrac{v_0 \, p^2 }{(p^2 + \omega_0^2) (p^2 + \omega^2)} + \dfrac{f_0 \omega^2 \, p }{(p^2 + \omega_0^2) (p^2 + \omega^2)} + \dfrac{v_0 \omega^2 + C_0 \omega}{(p^2 + \omega_0^2) (p^2 + \omega^2)}
On a également l'écriture suivante :
F(p)=f0p3(p2+ω02)(p2+ω2)+v0p2(p2+ω02)(p2+ω2)+f0ω2p(p2+ω02)(p2+ω2)+(v0ω+C0)ω1(p2+ω02)(p2+ω2)F(p) = f_0\dfrac{p^3 }{(p^2 + \omega_0^2) (p^2 + \omega^2)} + v_0 \dfrac{p^2 }{(p^2 + \omega_0^2) (p^2 + \omega^2)} + f_0 \omega^2\dfrac{ p }{(p^2 + \omega_0^2) (p^2 + \omega^2)} + \left( v_0 \omega + C_0 \right) \omega\dfrac{1}{(p^2 + \omega_0^2) (p^2 + \omega^2)}
Grace à la table présente dans les rappels de cours, nous pouvons écrire ceci comme :
TLp[f(x)]=f0TLp[ω02cos(ω0x)ω2cos(ωx)ω02ω2]+v0TLp[ω0sin(ω0x)ωsin(ωx)ω02ω2]+f0ω2TLp[cos(ωx)cos(ω0x)ω02ω2]+(v0ω+C0)ωTLp[ω0sin(ωx)ωsin(ω0x)ω0ω(ω02ω2)]TL_p\left[ f(x) \right] = f_0 \, TL_p\left[ \dfrac{\omega_0^2 \, \cos(\omega_0x) - \omega^2 \, \cos(\omega x)}{\omega_0^2 - \omega^2} \right] + v_0 \, TL_p\left[ \dfrac{\omega_0 \, \sin(\omega_0x) - \omega \, \sin(\omega x)}{\omega_0^2 - \omega^2} \right] \\ \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\, \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,+ f_0 \omega^2 \, TL_p\left[ \dfrac{\cos(\omega x) - \cos(\omega_0x)}{\omega_0^2 - \omega^2} \right] + \left( v_0 \omega + C_0 \right) \omega \, TL_p\left[ \dfrac{\omega_0 \, \sin(\omega x) - \omega \, \sin(\omega_0x)}{\omega_0 \omega \, (\omega_0^2 - \omega^2)} \right]
Que nous allons écrire sous la forme suivante :
TLp[f(x)]=f0TLp[ω02cos(ω0x)ω2cos(ωx)ω02ω2]+v0ω0TLp[ω02sin(ω0x)ω0ωsin(ωx)ω02ω2]+f0TLp[ω2cos(ωx)ω2cos(ω0x)ω02ω2]+v0ω+C0ω02TLp[ω02sin(ωx)ω0ωsin(ω0x)ω02ω2]TL_p\left[ f(x) \right] = f_0 \, TL_p\left[ \dfrac{\omega_0^2 \, \cos(\omega_0x) - \omega^2 \, \cos(\omega x)}{\omega_0^2 - \omega^2} \right] + \dfrac{v_0}{\omega_0} \, TL_p\left[ \dfrac{\omega_0^2 \, \sin(\omega_0x) - \omega_0 \omega \, \sin(\omega x)}{\omega_0^2 - \omega^2} \right] \\ \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\, \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\, + f_0 \, TL_p\left[ \dfrac{\omega^2 \, \cos(\omega x) - \omega^2 \, \cos(\omega_0x)}{\omega_0^2 - \omega^2} \right] + \dfrac{v_0 \omega + C_0}{\omega_0^2} \, TL_p\left[ \dfrac{ \omega_0^2 \, \sin(\omega x) - \omega_0 \omega \, \sin(\omega_0x)}{ \omega_0^2 - \omega^2} \right]
Soit encore :
TLp[f(x)]=f0TLp[ω02cos(ω0x)ω2cos(ωx)ω02ω2]+v0ω0ω02TLp[ω02sin(ω0x)ω0ωsin(ωx)ω02ω2]+f0TLp[ω2cos(ωx)ω2cos(ω0x)ω02ω2]+v0ω+C0ω02TLp[ω02sin(ωx)ω0ωsin(ω0x)ω02ω2]TL_p\left[ f(x) \right] = f_0 \, TL_p\left[ \dfrac{\omega_0^2 \, \cos(\omega_0x) - \omega^2 \, \cos(\omega x)}{\omega_0^2 - \omega^2} \right] + \dfrac{v_0 \omega_0}{\omega_0^2} \, TL_p\left[ \dfrac{\omega_0^2 \, \sin(\omega_0x) - \omega_0 \omega \, \sin(\omega x)}{\omega_0^2 - \omega^2} \right] \\ \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\, \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\, + f_0 \, TL_p\left[ \dfrac{\omega^2 \, \cos(\omega x) - \omega^2 \, \cos(\omega_0x)}{\omega_0^2 - \omega^2} \right] + \dfrac{v_0 \omega + C_0}{\omega_0^2} \, TL_p\left[ \dfrac{ \omega_0^2 \, \sin(\omega x) - \omega_0 \omega \, \sin(\omega_0x)}{ \omega_0^2 - \omega^2} \right]
En associant les termes verticalement, on obtient :
TLp[f(x)]=f0TLp[ω02cos(ω0x)ω2cos(ωx)+ω2cos(ωx)ω2cos(ω0x)ω02ω2]+v0ω0ω02TLp[ω02sin(ω0x)ω0ωsin(ωx)ω02ω2]+v0ω+C0ω02TLp[ω02sin(ωx)ω0ωsin(ω0x)ω02ω2]TL_p\left[ f(x) \right] = f_0 \, TL_p\left[ \dfrac{\omega_0^2 \, \cos(\omega_0x) - \omega^2 \, \cos(\omega x) +\omega^2 \, \cos(\omega x) - \omega^2 \, \cos(\omega_0x)}{\omega_0^2 - \omega^2} \right] \\ \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\, \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\, + \dfrac{v_0 \omega_0}{\omega_0^2} \, TL_p\left[ \dfrac{\omega_0^2 \, \sin(\omega_0x) - \omega_0 \omega \, \sin(\omega x)}{\omega_0^2 - \omega^2} \right] + \dfrac{v_0 \omega + C_0}{\omega_0^2} \, TL_p\left[ \dfrac{ \omega_0^2 \, \sin(\omega x) - \omega_0 \omega \, \sin(\omega_0x)}{ \omega_0^2 - \omega^2} \right]
Or, on a :
ω02cos(ω0x)ω2cos(ωx)+ω2cos(ωx)ω2cos(ω0x)ω02ω2=ω02cos(ω0x)ω2cos(ω0x)ω02ω2=(ω02ω2)cos(ω0x)ω02ω2\dfrac{\omega_0^2 \, \cos(\omega_0x) - \omega^2 \, \cos(\omega x) +\omega^2 \, \cos(\omega x) - \omega^2 \, \cos(\omega_0x)}{\omega_0^2 - \omega^2} = \dfrac{\omega_0^2 \, \cos(\omega_0x) - \omega^2 \, \cos(\omega_0x)}{\omega_0^2 - \omega^2} = \dfrac{\left( \omega_0^2 - \omega^2 \right) \cos(\omega_0x)}{\omega_0^2 - \omega^2}
Donc :
ω02cos(ω0x)ω2cos(ωx)+ω2cos(ωx)ω2cos(ω0x)ω02ω2=cos(ω0x)\dfrac{\omega_0^2 \, \cos(\omega_0x) - \omega^2 \, \cos(\omega x) +\omega^2 \, \cos(\omega x) - \omega^2 \, \cos(\omega_0x)}{\omega_0^2 - \omega^2} = \cos(\omega_0x)
Ainsi :
TLp[f(x)]=f0TLp[cos(ω0x)]+v0ω0ω02TLp[ω02sin(ω0x)ω0ωsin(ωx)ω02ω2]+v0ωω02TLp[ω02sin(ωx)ω0ωsin(ω0x)ω02ω2]+C0ω02TLp[ω02sin(ωx)ω0ωsin(ω0x)ω02ω2]TL_p\left[ f(x) \right] = f_0 \, TL_p\left[ \cos(\omega_0x) \right] + \dfrac{v_0 \omega_0}{\omega_0^2} \, TL_p\left[ \dfrac{\omega_0^2 \, \sin(\omega_0x) - \omega_0 \omega \, \sin(\omega x)}{\omega_0^2 - \omega^2} \right] + \dfrac{v_0 \omega }{\omega_0^2} \, TL_p\left[ \dfrac{ \omega_0^2 \, \sin(\omega x) - \omega_0 \omega \, \sin(\omega_0x)}{ \omega_0^2 - \omega^2} \right] \\ + \dfrac{C_0}{\omega_0^2} \, TL_p\left[ \dfrac{ \omega_0^2 \, \sin(\omega x) - \omega_0 \omega \, \sin(\omega_0x)}{ \omega_0^2 - \omega^2} \right]
Donc :
TLp[f(x)]=f0TLp[cos(ω0x)]+v0TLp[ω0sin(ω0x)ωsin(ωx)ω02ω2]+v0TLp[ωsin(ωx)ω2ω0sin(ω0x)ω02ω2]+C0ω02TLp[ω02sin(ωx)ω0ωsin(ω0x)ω02ω2]TL_p\left[ f(x) \right] = f_0 \, TL_p\left[ \cos(\omega_0x) \right] + v_0 \, TL_p\left[ \dfrac{\omega_0 \, \sin(\omega_0x) - \omega \, \sin(\omega x)}{\omega_0^2 - \omega^2} \right] + v_0 \, TL_p\left[ \dfrac{ \omega \, \sin(\omega x) - \dfrac{\omega^2}{\omega_0} \, \sin(\omega_0x)}{ \omega_0^2 - \omega^2} \right] \\ + \dfrac{C_0}{\omega_0^2} \, TL_p\left[ \dfrac{ \omega_0^2 \, \sin(\omega x) - \omega_0 \omega \, \sin(\omega_0x)}{ \omega_0^2 - \omega^2} \right]
Par linéarité, on a :
TLp[f(x)]=TLp[f0cos(ω0x)]+TLp[v0ω02ω2(ω0sin(ω0x)ωsin(ωx)+ωsin(ωx)ω2ω0sin(ω0x))]+C0ω02TLp[ω02sin(ωx)ω0ωsin(ω0x)ω02ω2]TL_p\left[ f(x) \right] = TL_p\left[ f_0 \, \cos(\omega_0x) \right] + TL_p\left[ \dfrac{v_0}{\omega_0^2 - \omega^2} \left( \omega_0 \, \sin(\omega_0x) - \omega \, \sin(\omega x) + \omega \, \sin(\omega x) - \dfrac{\omega^2}{\omega_0} \, \sin(\omega_0x) \right) \right] \\ + \dfrac{C_0}{\omega_0^2} \, TL_p\left[ \dfrac{ \omega_0^2 \, \sin(\omega x) - \omega_0 \omega \, \sin(\omega_0x)}{ \omega_0^2 - \omega^2} \right]
En simplifiant :
TLp[f(x)]=TLp[f0cos(ω0x)]+TLp[v0ω02ω2(ω0sin(ω0x)ω2ω0sin(ω0x))]+C0ω02TLp[ω02sin(ωx)ω0ωsin(ω0x)ω02ω2]TL_p\left[ f(x) \right] = TL_p\left[ f_0 \, \cos(\omega_0x) \right] + TL_p\left[ \dfrac{v_0}{\omega_0^2 - \omega^2} \left( \omega_0 \, \sin(\omega_0x) - \dfrac{\omega^2}{\omega_0} \, \sin(\omega_0x) \right) \right] \\ + \dfrac{C_0}{\omega_0^2} \, TL_p\left[ \dfrac{ \omega_0^2 \, \sin(\omega x) - \omega_0 \omega \, \sin(\omega_0x)}{ \omega_0^2 - \omega^2} \right]
Et on a :
v0ω02ω2(ω0sin(ω0x)ω2ω0sin(ω0x))=v0sin(ω0x)ω02ω2(ω0ω2ω0)=v0sin(ω0x)ω02ω2(ω02ω2ω0)=v0ω0sin(ω0x)\dfrac{v_0}{\omega_0^2 - \omega^2} \left( \omega_0 \, \sin(\omega_0x) - \dfrac{\omega^2}{\omega_0} \, \sin(\omega_0x) \right) = \dfrac{v_0 \sin(\omega_0x)}{\omega_0^2 - \omega^2} \left( \omega_0 \, - \dfrac{\omega^2}{\omega_0} \right) = \dfrac{v_0 \sin(\omega_0x)}{\omega_0^2 - \omega^2} \left( \dfrac{\omega_0^2 - \omega^2}{\omega_0} \right) = \dfrac{v_0}{\omega_0} \sin(\omega_0x)
De fait, on obtient :
TLp[f(x)]=TLp[f0cos(ω0x)]+TLp[v0ω0sin(ω0x)]+C0ω02TLp[ω02sin(ωx)ω0ωsin(ω0x)ω02ω2]TL_p\left[ f(x) \right] = TL_p\left[ f_0 \, \cos(\omega_0x) \right] + TL_p\left[ \dfrac{v_0}{\omega_0} \sin(\omega_0x) \right] + \dfrac{C_0}{\omega_0^2} \, TL_p\left[ \dfrac{ \omega_0^2 \, \sin(\omega x) - \omega_0 \omega \, \sin(\omega_0x)}{ \omega_0^2 - \omega^2} \right]
De même :
TLp[f(x)]=TLp[f0cos(ω0x)]+TLp[v0ω0sin(ω0x)]+C0TLp[sin(ωx)ωω0sin(ω0x)ω02ω2]TL_p\left[ f(x) \right] = TL_p\left[ f_0 \, \cos(\omega_0x) \right] + TL_p\left[ \dfrac{v_0}{\omega_0} \sin(\omega_0x) \right] + C_0 \, TL_p\left[ \dfrac{ \sin(\omega x) - \dfrac{\omega}{\omega_0} \, \sin(\omega_0x)}{ \omega_0^2 - \omega^2} \right]
Mais également :
TLp[f(x)]=TLp[f0cos(ω0x)]+TLp[v0ω0sin(ω0x)]+TLp[C0ω02ω2(sin(ωx)ωω0sin(ω0x))]TL_p\left[ f(x) \right] = TL_p\left[ f_0 \, \cos(\omega_0x) \right] + TL_p\left[ \dfrac{v_0}{\omega_0} \sin(\omega_0x) \right] + TL_p\left[ \dfrac{ C_0 }{ \omega_0^2 - \omega^2} \left( \sin(\omega x) - \dfrac{\omega}{\omega_0} \, \sin(\omega_0x) \right) \right]
En regroupant, par linéarité, les trois termes présents, on obtient :
TLp[f(x)]=TLp[f0cos(ω0x)+v0ω0sin(ω0x)+C0ω02ω2(sin(ωx)ωω0sin(ω0x))]TL_p\left[ f(x) \right] = TL_p\left[ f_0 \, \cos(\omega_0x) + \dfrac{v_0}{\omega_0} \sin(\omega_0x) + \dfrac{ C_0 }{ \omega_0^2 - \omega^2} \left( \sin(\omega x) - \dfrac{\omega}{\omega_0} \, \sin(\omega_0x) \right) \right]
Donc, on en déduit que :
f(x)=f0cos(ω0x)+v0ω0sin(ω0x)+C0ω02ω2(sin(ωx)ωω0sin(ω0x))f(x) = f_0 \, \cos(\omega_0x) + \dfrac{v_0}{\omega_0} \sin(\omega_0x) + \dfrac{ C_0 }{ \omega_0^2 - \omega^2} \left( \sin(\omega x) - \dfrac{\omega}{\omega_0} \, \sin(\omega_0x) \right)

Afin de faire explicitement apparaître le caractère causal de la solution ff recherchée, nous allons introduire, à cet usage, l'échelon unitaire U(t)\mathcal{U}(t). Finalement, on obtient l'expression recherchée, à savoir :
f(x)=(f0cos(ω0x)+v0ω0sin(ω0x)+C0ω02ω2(sin(ωx)ωω0sin(ω0x)))U(t)f(x) = \left( f_0 \, \cos(\omega_0x) + \dfrac{v_0}{\omega_0} \sin(\omega_0x) + \dfrac{ C_0 }{ \omega_0^2 - \omega^2} \left( \sin(\omega x) - \dfrac{\omega}{\omega_0} \, \sin(\omega_0x) \right) \right) \mathcal{U}(t)
On constate que si le forcagen est absent, à savoir que C0=0C_0 = 0, on retrouve bien le résultat de l'oscillateur harmonique classique que nous avons déjà établit dans un exercice précédent. Ceci est pleinement rassurant sur la cohérence et la justesse du résultat.

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