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Exercice 15 - Exercice 1

45 min
70
On continue sur des modèle issues de la Physique.
Question 1
Soit tR+t \in \mathbb{R}^+
Soit aa un nombre réel strictement positif.
Soit ω\omega un nombre réel tel que ω>a\omega > a.
Soit aa un nombre réel strictement positif.
La notation δ\delta désigne la distribution de Dirac.
Soit xx une fonction numérique univariée causale au moins deux fois dérivables sur R+\mathbb{R}^+.
Cette fonction xx satisfait aux deux conditions limites x(0)=0x(0) = 0 et x(0)=0x'(0) = 0.
En outre, la fonction yy vérifie l'équation différentielle suivante :
x(t)+2ax(t)+ω2x(t)=Aδ(t)x''(t) + 2a x'(t)+ \omega^2 \, x(t) = A\, \delta(t).

Déterminer la fonction xx correspondante.

Correction
On a l'équation différentielle suivante :
x(t)+2ax(t)+ω2x(t)=Aδ(t)x''(t) + 2a x'(t)+ \omega^2 \, x(t) = A \, \delta(t)
Prenons la transformée de Laplace des deux membres de cette équation différentielle :
TLp[x(t)+2ax(t)+ω2x(t)]=TLp[Aδ(t)]TL_p\left[ x''(t) + 2a x'(t) + \omega^2 \, x(t) \right] = TL_p\left[ A \, \delta(t) \right]
Par linéarité, on a alors :
TLp[x(t)]+2aTLp[x(t)]+ω2TLp[x(t)]=ATLp[δ(t)]TL_p\left[ x''(t) \right] + 2a \, TL_p\left[ x'(t) \right] + \omega^2 \, TL_p\left[ x(t) \right] = A \, TL_p\left[ \delta(t) \right]
Adoptons la notation usuelle, à savoir X(p)=TLp[x(t)]X(p) = TL_p\left[ x(t) \right]. On a alors :
p2X(p)px(0)x(0)+2a(pX(p)x(0))+ω2X(p)=A1p^2 X(p) - px(0) - x'(0) + 2a \, \left( p X(p) - x(0) \right) + \omega^2 \, X(p) = A 1
En tenant compte des conditions initiales, on obtient :
p2X(p)p00+2a(pX(p)0)+ω2X(p)=A1p^2 X(p) - p0 - 0 + 2a \, \left( p X(p) - 0 \right) + \omega^2 \, X(p) = A 1
Soit :
p2X(p)+2apX(p)+ω2X(p)=Ap^2 X(p) + 2ap X(p) + \omega^2 \, X(p) = A
En factorisant, on obtient :
(p2+2ap+ω2)X(p)=A\left( p^2 + 2ap + \omega^2 \right) X(p) = A
Soit encore :
(p2+2ap+a2+ω2a2)X(p)=A\left( p^2 + 2ap + a^2 + \omega^2 - a^2\right) X(p) = A
Nous remarquons ainsi l'apparition de l'identité remarquable p2+2ap+a2=(p+a)2p^2 + 2ap + a^2 = (p+a)^2. D'où :
((p+a)2+ω2a2)X(p)=A\left( (p+a)^2 + \omega^2 - a^2 \right) X(p) = A
Ainsi :
Nous remarquons ainsi l'apparition de l'identité remarquable p2+2ap+a2=(p+a)2p^2 + 2ap + a^2 = (p+a)^2. D'où :
X(p)=A(p+a)2+ω2a2X(p) = \dfrac{A}{(p+a)^2 + \omega^2 - a^2}
Nous allons préféré écrire cela sous la forme suivante
X(p)=A(p+a)2+ω2a22X(p) = \dfrac{A}{(p+a)^2 + \sqrt{\omega^2 - a^2}^2}
Ou encore :
X(p)=Aω2a2×ω2a2(p+a)2+ω2a22X(p) = \dfrac{A}{\sqrt{\omega^2 - a^2}} \times \dfrac{\sqrt{\omega^2 - a^2}}{(p+a)^2 + \sqrt{\omega^2 - a^2}^2}
Or, d'après les tables de correspondances de la transformation de Laplace, on sait que pour (α;β)R2(\alpha \,;\, \beta) \in \mathbb{R}^2, on a :
TLp[eβtsin(αt)]=α(p+β)2+α2TL_p\left[ e^{-\beta t}\sin(\alpha t) \right] = \dfrac{\alpha}{(p + \beta)^2 + \alpha^2}
En posant β=a\beta = a et α=ω2a2\alpha = \sqrt{\omega^2 - a^2}, on obtient :
TLp[eatsin(ω2a2t)]=ω2a2(p+a)2+ω2a22TL_p\left[ e^{-a t}\sin \left(\sqrt{\omega^2 - a^2} \, t \right) \right] = \dfrac{\sqrt{\omega^2 - a^2}}{(p+a)^2 + \sqrt{\omega^2 - a^2}^2}
De fait, nous sommes conduits à pouvoir écrire que :
X(p)=Aω2a2×TLp[eatsin(ω2a2t)]X(p) = \dfrac{A}{\sqrt{\omega^2 - a^2}} \times TL_p\left[ e^{-a t}\sin \left(\sqrt{\omega^2 - a^2} \, t \right) \right]
Soit :
TLp[x(t)]=Aω2a2×TLp[eatsin(ω2a2t)]TL_p\left[ x(t) \right] = \dfrac{A}{\sqrt{\omega^2 - a^2}} \times TL_p\left[ e^{-a t}\sin \left(\sqrt{\omega^2 - a^2} \, t \right) \right]
Puis, par linéarité, on obtient immédiatement :
TLp[x(t)]=TLp[Aω2a2×eatsin(ω2a2t)]TL_p\left[ x(t) \right] = TL_p\left[ \dfrac{A}{\sqrt{\omega^2 - a^2}} \times e^{-a t}\sin \left(\sqrt{\omega^2 - a^2} \, t \right) \right]
On en déduit donc que :
x(t)=Aω2a2eatsin(ω2a2t)x(t) = \dfrac{A}{\sqrt{\omega^2 - a^2}} \, e^{-a t}\sin \left(\sqrt{\omega^2 - a^2} \, t \right)
Afin de faire apparaitre explicitement le caractère causal de la solution xx recherchée, nous allons introduire l'échelon unité U(t)\mathcal{U}(t). Finalement, on obtient :
x(t)=Aω2a2eatsin(ω2a2t)U(t)x(t) = \dfrac{A}{\sqrt{\omega^2 - a^2}} \, e^{-a t}\sin \left(\sqrt{\omega^2 - a^2} \, t \right) \mathcal{U}(t)

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