Soit ℓ un nombre réel strictement positif. Soit k un nombre réel strictement positif. Soient c et d deux nombres réels. Soit x un nombre réel tel que x∈[0;ℓ]. Soit y une fonction numérique univariée causale au moins quatre fois dérivables sur R+. Cette fonction y satisfait aux deux conditions limites suivantes : ∙y(0)=0 ; ∙y(ℓ)=0 ; ∙y′(0)=c ; ∙y′′(0)=0 ; ∙y′′(ℓ)=0 ∙y′′′(0)=d. En outre, la fonction y vérifie l'équation différentielle suivante : y′′′′(x)+k=0.
Déterminer la fonction y correspondante.
Correction
On a l'équation différentielle suivante : y′′′′(x)+k Soit : y′′′′(x)=−k Prenons la transformée de Laplace des deux membres de cette équation différentielle : TLp[y′′′′(x)]=TLp[−k] Par linéarité, on a alors : TLp[y′′′′(x)]=−kTLp[1] Adoptons la notation usuelle, à savoir Y(p)=TLp[y(x)]. On a alors : p4Y(p)−p3y(0)−p2y′(0)−py′′(0)−y′′′(0)=−kp1 En faisant usage des conditions initiales, on obtient : p4Y(p)−p30−p2c−p0−d=−kp1 Soit : p4Y(p)−cp2−d=−kp1 Soit encore : p4Y(p)=d+cp2−kp1 De fait, on a : Y(p)=dp41+cp21−kp51 Mais, d'après les tables de correspondances relatives à la transformation de Laplace, on sait que : TLp[(n−1)!xn−1]=pn1 De fait, en se souvenant que Y(p)=TLp[y(x)], on peut donc écrire que : TLp[y(x)]=dTLp[(4−1)!x4−1]+cTLp[(2−1)!x2−1]−kTLp[(5−1)!x5−1] D'où : TLp[y(x)]=dTLp[3!x3]+cTLp[1!x1]−kTLp[4!x4] Ainsi : TLp[y(x)]=dTLp[6x3]+cTLp[x]−kTLp[24x4] Par linéarité de la transformation de Laplace, on a : TLp[y(x)]=TLp[d6x3+cx−k24x4] Nous sommes donc conduit à pouvoir écrire que : y(x)=d6x3+cx−k24x4 En factorisant par x, on obtient : y(x)=x(d6x2+c−k24x3) En factorisant par 241, on obtient : y(x)=241x(4dx2+24c−kx3) Mais, on sait que y(ℓ)=0. Donc : y(ℓ)=241ℓ(4dℓ2+24c−kℓ3)⟺0=241ℓ(4dℓ2+24c−kℓ3) Comme ℓ n'est pas nul, d'après l'énoncé, on en déduit alors que : 4dℓ2+24c−kℓ3=0 Puis, comme y(x)=d6x3+cx−k24x4 alors on a : y′(x)=d2x2+c−k6x3 Puis : y′′(x)=dx+0−k2x2⟺y′′(x)=dx−k2x2 Mais, le sujet nous apprend que y′′(ℓ)=0. Donc : y′′(ℓ)=dℓ−k2ℓ2⟺0=dℓ−k2ℓ2⟺0=ℓ(d−k2ℓ) Comme ℓ n'est pas nul, d'après l'énoncé, on en déduit alors que : d−k2ℓ=0 Ceci nous permet d'affirmer que d=k2ℓ et ainsi 4d=2kℓ. Dès lors, on a alors : 4dℓ2+24c−kℓ3=0⟺2kℓℓ2+24c−kℓ3=0⟺2kℓ3+24c−kℓ3=0⟺kℓ3+24c=0 Ce qui implique que c=−24kℓ3. De cela, il nous est maintenant possible d'écrire que : y(x)=241x(2kℓx2+24(−24kℓ3)−kx3) Soit : y(x)=241x(2kℓx2−kℓ3−kx3) En factorisant par k, on obtient : y(x)=24kx(2ℓx2−ℓ3−x3) On constate que le polynôme 2ℓx2−ℓ3−x3 admet ℓ comme racine évidente. Ainsi nous allons pouvoir factoriser ce polynôme par le facteur x−ℓ. Avec les trois réels φ, θ et ψ on a : 2ℓx2−ℓ3−x3=(x−ℓ)(φx2+θx+ψ) En développant le membre de droite, on obtient : 2ℓx2−ℓ3−x3=φx3+θx2+ψx−φℓx2−θℓx−ℓψ Soit : 2ℓx2−ℓ3−x3=φx3+(θ−φℓ)x2+(ψ−θℓ)x−ℓψ Soit encore : −x3+2ℓx2+0x−ℓℓ2=φx3+(θ−φℓ)x2+(ψ−θℓ)x−ℓψ Par identification, on a donc le système suivant : ⎩⎨⎧φθ−φℓψ−θℓψ====−12ℓ0ℓ2 Ce qui nous permet d'obtenir : ⎩⎨⎧φθ+ℓℓ2−θℓψ====−12ℓ0ℓ2 Donc : ⎩⎨⎧φθℓ2−ℓℓψ====−1ℓ0ℓ2 On peut donc écrire que : 2ℓx2−ℓ3−x3=(x−ℓ)(−x2+ℓx+ℓ2) Ainsi, on obtient l'expression, de la fonction y, suivante : y(x)=24kx(x−ℓ)(−x2+ℓx+ℓ2) Finalement, en faisant explicitement apparaitre le caractère causal de la fonction y recherchée, au travers de l'introduction de l'échelon unité U(x), on trouve que : y(x)=24kx(x−ℓ)(−x2+ℓx+ℓ2)U(x)
Question 2
Dans le cas de ℓ=1, représenter graphiquement l'expression ky(x).
Correction
Lorsque l'on pose ℓ=1, on obtient l'expression suivante : y(x)=24kx(x−1)(−x2+x+1)U(x) Ce qui nous donne donc : ky(x)=241x(x−1)(−x2+x+1)U(x) Graphiquement, on obtient la figure suivante :
♣REMARQUE : Cet exercice illustre et décrit la situation d'une poutre homogène chargée uniformément (la déformée en R.D.M.) sur deux appuis pivotants dans le plan.
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