Soit t∈R+ Soit a un nombre réel strictement positif. Soit ω un nombre réel tel que ω>a. Soit a un nombre réel strictement positif. La notation δ désigne la distribution de Dirac. Soit x une fonction numérique univariée causale au moins deux fois dérivables sur R+. Cette fonction x satisfait aux deux conditions limites x(0)=0 et x′(0)=0. En outre, la fonction y vérifie l'équation différentielle suivante : x′′(t)+2ax′(t)+ω2x(t)=Aδ(t).
Déterminer la fonction x correspondante.
Correction
On a l'équation différentielle suivante : x′′(t)+2ax′(t)+ω2x(t)=Aδ(t) Prenons la transformée de Laplace des deux membres de cette équation différentielle : TLp[x′′(t)+2ax′(t)+ω2x(t)]=TLp[Aδ(t)] Par linéarité, on a alors : TLp[x′′(t)]+2aTLp[x′(t)]+ω2TLp[x(t)]=ATLp[δ(t)] Adoptons la notation usuelle, à savoir X(p)=TLp[x(t)]. On a alors : p2X(p)−px(0)−x′(0)+2a(pX(p)−x(0))+ω2X(p)=A1 En tenant compte des conditions initiales, on obtient : p2X(p)−p0−0+2a(pX(p)−0)+ω2X(p)=A1 Soit : p2X(p)+2apX(p)+ω2X(p)=A En factorisant, on obtient : (p2+2ap+ω2)X(p)=A Soit encore : (p2+2ap+a2+ω2−a2)X(p)=A Nous remarquons ainsi l'apparition de l'identité remarquable p2+2ap+a2=(p+a)2. D'où : ((p+a)2+ω2−a2)X(p)=A Ainsi : Nous remarquons ainsi l'apparition de l'identité remarquable p2+2ap+a2=(p+a)2. D'où : X(p)=(p+a)2+ω2−a2A Nous allons préféré écrire cela sous la forme suivante X(p)=(p+a)2+ω2−a22A Ou encore : X(p)=ω2−a2A×(p+a)2+ω2−a22ω2−a2 Or, d'après les tables de correspondances de la transformation de Laplace, on sait que pour (α;β)∈R2, on a : TLp[e−βtsin(αt)]=(p+β)2+α2α En posant β=a et α=ω2−a2, on obtient : TLp[e−atsin(ω2−a2t)]=(p+a)2+ω2−a22ω2−a2 De fait, nous sommes conduits à pouvoir écrire que : X(p)=ω2−a2A×TLp[e−atsin(ω2−a2t)] Soit : TLp[x(t)]=ω2−a2A×TLp[e−atsin(ω2−a2t)] Puis, par linéarité, on obtient immédiatement : TLp[x(t)]=TLp[ω2−a2A×e−atsin(ω2−a2t)] On en déduit donc que : x(t)=ω2−a2Ae−atsin(ω2−a2t) Afin de faire apparaitre explicitement le caractère causal de la solution x recherchée, nous allons introduire l'échelon unité U(t). Finalement, on obtient : x(t)=ω2−a2Ae−atsin(ω2−a2t)U(t)
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