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Exercice 13 - Exercice 1

45 min
70
Un modèle de la Physique.
Question 1
Soit aa un nombre réel strictement positif.
Soit ff une fonction numérique univariée intégrable sur R+\mathbb{R}^+.
Soit yy une fonction numérique univariée causale au moins deux fois dérivables sur R+\mathbb{R}^+.
Cette fonction yy satisfait aux deux conditions limites y(0)=1y(0) = 1 et y(0)=2y'(0) = -2.
En outre, la fonction yy vérifie l'équation différentielle suivante :
y(x)+a2y(x)=f(x)y''(x) + a^2 \, y(x) = f(x).

Déterminer la fonction yy correspondante.

Correction
On a l'équation différentielle suivante :
y(x)+a2y(x)=f(x)y''(x) + a^2 \, y(x) = f(x)
Prenons la transformée de Laplace des deux membres de cette équation différentielle :
TLp[y(x)+a2y(x)]=TLp[f(x)]TL_p\left[ y''(x) + a^2 \, y(x) \right] = TL_p\left[ f(x) \right]
Par linéarité, on a alors :
TLp[y(x)]+a2TLp[y(x)]=TLp[f(x)]TL_p\left[ y''(x) \right] + a^2 \, TL_p\left[ y(x) \right] = TL_p\left[ f(x) \right]
Adoptons les notations usuelles, à savoir Y(p)=TLp[y(x)]Y(p) = TL_p\left[ y(x) \right] et F(p)=TLp[f(x)]F(p) = TL_p\left[ f(x) \right]. On a alors :
p2Y(p)py(0)y(0)+a2Y(p)=F(p)p^2 Y(p) - p \, y(0) - y'(0) + a^2Y(p) = F(p)
En tenant compte des conditions initiales, on obtient :
p2Y(p)p1(2)+a2Y(p)=F(p)p^2 Y(p) - p \, 1 - (-2) + a^2Y(p) = F(p)
Soit :
p2Y(p)p+2+a2Y(p)=F(p)p^2 Y(p) - p + 2 + a^2Y(p) = F(p)
En factorisant, on a alors :
(p2+a2)Y(p)p+2=F(p)\left( p^2 + a^2 \right) Y(p) - p + 2 = F(p)
Soit encore :
(p2+a2)Y(p)=p2+F(p)\left( p^2 + a^2 \right) Y(p) = p - 2 + F(p)
De fait, on obtient :
Y(p)=pp2+a221p2+a2+1p2+a2F(p)Y(p) = \dfrac{p}{p^2 + a^2} - 2\dfrac{1}{p^2 + a^2} + \dfrac{1}{p^2 + a^2}F(p)
Que nous allons écrire comme :
Y(p)=pp2+a22aap2+a2+1aap2+a2F(p)Y(p) = \dfrac{p}{p^2 + a^2} - \dfrac{2}{a}\dfrac{a}{p^2 + a^2} + \dfrac{1}{a}\dfrac{a}{p^2 + a^2}F(p)
Mais, on sait que Y(p)=TLp[y(x)]Y(p) = TL_p\left[ y(x) \right] F(p)=TLp[f(x)]F(p) = TL_p\left[ f(x) \right]. On a alors :
TLp[y(x)]=pp2+a22aap2+a2+1aap2+a2×TLp[f(x)]TL_p\left[ y(x) \right] = \dfrac{p}{p^2 + a^2} - \dfrac{2}{a}\dfrac{a}{p^2 + a^2} + \dfrac{1}{a}\dfrac{a}{p^2 + a^2} \times TL_p\left[ f(x) \right]
En faisant usage des tables de correspondances relatives à la transformation de Laplace, on a alors :
TLp[y(x)]=TLp[cos(ax)]2aTLp[sin(ax)]+1aTLp[sin(ax)]×TLp[f(x)]TL_p\left[ y(x) \right] = TL_p\left[ \cos(ax) \right] - \dfrac{2}{a}TL_p\left[ \sin(ax) \right] + \dfrac{1}{a} TL_p\left[ \sin(ax) \right] \times TL_p\left[ f(x) \right]
Par linéarité de la transformation de Laplace, nous pouvons écrire que :
TLp[y(x)]=TLp[cos(ax)2asin(ax)]+1aTLp[sin(ax)]×TLp[f(x)]TL_p\left[ y(x) \right] = TL_p\left[ \cos(ax) - \dfrac{2}{a} \sin(ax) \right] + \dfrac{1}{a} TL_p\left[ \sin(ax) \right] \times TL_p\left[ f(x) \right]
En introduisant maintenant le produit de convolution, on obtient :
TLp[y(x)]=TLp[cos(ax)2asin(ax)]+1aTLp[0xsin(at)f(xt)dt]TL_p\left[ y(x) \right] = TL_p\left[ \cos(ax) - \dfrac{2}{a} \sin(ax) \right] + \dfrac{1}{a} TL_p\left[ \int_0^x \sin(at) f(x-t) \, \mathrm{d}t \right]
Par linéarité, à nouveau, on peut donc écrire que :
TLp[y(x)]=TLp[cos(ax)2asin(ax)+1a0xsin(at)f(xt)dt]TL_p\left[ y(x) \right] = TL_p\left[ \cos(ax) - \dfrac{2}{a} \sin(ax) + \dfrac{1}{a} \int_0^x \sin(at) f(x-t) \, \mathrm{d}t \right]
Ce qui implique que :
y(x)=cos(ax)2asin(ax)+1a0xsin(at)f(xt)dty(x) = \cos(ax) - \dfrac{2}{a} \sin(ax) + \dfrac{1}{a} \int_0^x \sin(at) f(x-t) \, \mathrm{d}t
Finalement, en faisant explicitement apparaitre le caractère causal de la fonction yy recherchée, au travers de l'introduction de l'échelon unité U(x)\mathcal{U}(x), on trouve que :
y(x)=(cos(ax)2asin(ax)+1a0xsin(at)f(xt)dt)U(x)y(x) =\left( \cos(ax) - \dfrac{2}{a} \sin(ax) + \dfrac{1}{a} \int_0^x \sin(at) f(x-t) \, \mathrm{d}t \right) \mathcal{U}(x)

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