Un exemple essentiel. Il s'agit d'un modèle fondamental en Physique : l'oscillateur harmonique forcé sinusoidalement.
Question 1
Soit ω0 un nombre réel strictement positif. Soit C0 un nombre réel strictement positif. Soit f une fonction causale, continue sur R+ et au moins deux fois dérivable sur ce même intervalle. Cette fonction f vérifie les deux conditions initiales suivantes : f(0)=f0∈R et f′(0)=v0∈R. En outre cette fonction f satisfait à l'équation différentielle ordinaire (EDO) suivante : f′′(x)+ω02f(x)=C0sin(ωx)
Déterminer l'image de la fonction f qui convient.
Correction
Prenons la transformée de Laplace de cette équation différentielle. On a alors : TLp[f′′(x)+ω02f(x)]=TLp[C0sin(ωx)] Par linéarité, on obtient : TLp[f′′(x)]+ω02TLp[f(x)]=C0TLp[sin(ωx)] Notons F(p)=TLp[f(x)]. On a alors : p2F(p)−pf(0)−f′(0)+ω02F(p)=C0p2+ω2ω En tenant compte des conditions initiales, on a : p2F(p)−pf0−v0+ω02F(p)=C0ωp2+ω21 Soit : p2F(p)+ω02F(p)=pf0+v0+p2+ω2C0ω En factorisant : (p2+ω02)F(p)=p2+ω2(pf0+v0)(p2+ω2)+p2+ω2C0ω Soit : (p2+ω02)F(p)=p2+ω2(pf0+v0)(p2+ω2)+C0ω Soit encore : F(p)=(p2+ω02)(p2+ω2)(pf0+v0)(p2+ω2)+C0ω Ce qui va également s'écrire comme : F(p)=(p2+ω02)(p2+ω2)(pf0+v0)(p2+ω2)+(p2+ω02)(p2+ω2)C0ω En développant le numérateur du premier terme du second membre, on obtient : F(p)=(p2+ω02)(p2+ω2)f0p3+v0p2+f0ω2p+v0ω2+(p2+ω02)(p2+ω2)C0ω Nous allons écrire cela comme : F(p)=(p2+ω02)(p2+ω2)f0p3+(p2+ω02)(p2+ω2)v0p2+(p2+ω02)(p2+ω2)f0ω2p+(p2+ω02)(p2+ω2)v0ω2+C0ω On a également l'écriture suivante : F(p)=f0(p2+ω02)(p2+ω2)p3+v0(p2+ω02)(p2+ω2)p2+f0ω2(p2+ω02)(p2+ω2)p+(v0ω+C0)ω(p2+ω02)(p2+ω2)1 Grace à la table présente dans les rappels de cours, nous pouvons écrire ceci comme : TLp[f(x)]=f0TLp[ω02−ω2ω02cos(ω0x)−ω2cos(ωx)]+v0TLp[ω02−ω2ω0sin(ω0x)−ωsin(ωx)]+f0ω2TLp[ω02−ω2cos(ωx)−cos(ω0x)]+(v0ω+C0)ωTLp[ω0ω(ω02−ω2)ω0sin(ωx)−ωsin(ω0x)] Que nous allons écrire sous la forme suivante : TLp[f(x)]=f0TLp[ω02−ω2ω02cos(ω0x)−ω2cos(ωx)]+ω0v0TLp[ω02−ω2ω02sin(ω0x)−ω0ωsin(ωx)]+f0TLp[ω02−ω2ω2cos(ωx)−ω2cos(ω0x)]+ω02v0ω+C0TLp[ω02−ω2ω02sin(ωx)−ω0ωsin(ω0x)] Soit encore : TLp[f(x)]=f0TLp[ω02−ω2ω02cos(ω0x)−ω2cos(ωx)]+ω02v0ω0TLp[ω02−ω2ω02sin(ω0x)−ω0ωsin(ωx)]+f0TLp[ω02−ω2ω2cos(ωx)−ω2cos(ω0x)]+ω02v0ω+C0TLp[ω02−ω2ω02sin(ωx)−ω0ωsin(ω0x)] En associant les termes verticalement, on obtient : TLp[f(x)]=f0TLp[ω02−ω2ω02cos(ω0x)−ω2cos(ωx)+ω2cos(ωx)−ω2cos(ω0x)]+ω02v0ω0TLp[ω02−ω2ω02sin(ω0x)−ω0ωsin(ωx)]+ω02v0ω+C0TLp[ω02−ω2ω02sin(ωx)−ω0ωsin(ω0x)] Or, on a : ω02−ω2ω02cos(ω0x)−ω2cos(ωx)+ω2cos(ωx)−ω2cos(ω0x)=ω02−ω2ω02cos(ω0x)−ω2cos(ω0x)=ω02−ω2(ω02−ω2)cos(ω0x) Donc : ω02−ω2ω02cos(ω0x)−ω2cos(ωx)+ω2cos(ωx)−ω2cos(ω0x)=cos(ω0x) Ainsi : TLp[f(x)]=f0TLp[cos(ω0x)]+ω02v0ω0TLp[ω02−ω2ω02sin(ω0x)−ω0ωsin(ωx)]+ω02v0ωTLp[ω02−ω2ω02sin(ωx)−ω0ωsin(ω0x)]+ω02C0TLp[ω02−ω2ω02sin(ωx)−ω0ωsin(ω0x)] Donc : TLp[f(x)]=f0TLp[cos(ω0x)]+v0TLp[ω02−ω2ω0sin(ω0x)−ωsin(ωx)]+v0TLp⎣⎡ω02−ω2ωsin(ωx)−ω0ω2sin(ω0x)⎦⎤+ω02C0TLp[ω02−ω2ω02sin(ωx)−ω0ωsin(ω0x)] Par linéarité, on a : TLp[f(x)]=TLp[f0cos(ω0x)]+TLp[ω02−ω2v0(ω0sin(ω0x)−ωsin(ωx)+ωsin(ωx)−ω0ω2sin(ω0x))]+ω02C0TLp[ω02−ω2ω02sin(ωx)−ω0ωsin(ω0x)] En simplifiant : TLp[f(x)]=TLp[f0cos(ω0x)]+TLp[ω02−ω2v0(ω0sin(ω0x)−ω0ω2sin(ω0x))]+ω02C0TLp[ω02−ω2ω02sin(ωx)−ω0ωsin(ω0x)] Et on a : ω02−ω2v0(ω0sin(ω0x)−ω0ω2sin(ω0x))=ω02−ω2v0sin(ω0x)(ω0−ω0ω2)=ω02−ω2v0sin(ω0x)(ω0ω02−ω2)=ω0v0sin(ω0x) De fait, on obtient : TLp[f(x)]=TLp[f0cos(ω0x)]+TLp[ω0v0sin(ω0x)]+ω02C0TLp[ω02−ω2ω02sin(ωx)−ω0ωsin(ω0x)] De même : TLp[f(x)]=TLp[f0cos(ω0x)]+TLp[ω0v0sin(ω0x)]+C0TLp⎣⎡ω02−ω2sin(ωx)−ω0ωsin(ω0x)⎦⎤ Mais également : TLp[f(x)]=TLp[f0cos(ω0x)]+TLp[ω0v0sin(ω0x)]+TLp[ω02−ω2C0(sin(ωx)−ω0ωsin(ω0x))] En regroupant, par linéarité, les trois termes présents, on obtient : TLp[f(x)]=TLp[f0cos(ω0x)+ω0v0sin(ω0x)+ω02−ω2C0(sin(ωx)−ω0ωsin(ω0x))] Donc, on en déduit que : f(x)=f0cos(ω0x)+ω0v0sin(ω0x)+ω02−ω2C0(sin(ωx)−ω0ωsin(ω0x))
Afin de faire explicitement apparaître le caractère causal de la solution f recherchée, nous allons introduire, à cet usage, l'échelon unitaire U(t). Finalement, on obtient l'expression recherchée, à savoir : f(x)=(f0cos(ω0x)+ω0v0sin(ω0x)+ω02−ω2C0(sin(ωx)−ω0ωsin(ω0x)))U(t) On constate que si le forcagen est absent, à savoir que C0=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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