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Exercice 16 - Exercice 1

50 min
75
Une situation sympathique !
Question 1
Soit \ell un nombre réel strictement positif.
Soit kk un nombre réel strictement positif.
Soient cc et dd deux nombres réels.
Soit xx un nombre réel tel que x[0;]x \in [0 \,;\, \ell].
Soit yy une fonction numérique univariée causale au moins quatre fois dérivables sur R+\mathbb{R}^+.
Cette fonction yy satisfait aux deux conditions limites suivantes :
y(0)=0\bullet \,\, y(0) = 0 ;
y()=0\bullet \,\, y(\ell) = 0 ;
y(0)=c\bullet \,\, y'(0) = c ;
y(0)=0\bullet \,\, y''(0) = 0 ;
y()=0\bullet \,\, y''(\ell) = 0
y(0)=d\bullet \,\, y'''(0) = d.
En outre, la fonction yy vérifie l'équation différentielle suivante :
y(x)+k=0y''''(x) + k = 0.

Déterminer la fonction yy correspondante.

Correction
On a l'équation différentielle suivante :
y(x)+ky''''(x) + k
Soit :
y(x)=ky''''(x) = - k
Prenons la transformée de Laplace des deux membres de cette équation différentielle :
TLp[y(x)]=TLp[k]TL_p\left[ y''''(x) \right] = TL_p\left[ -k \right]
Par linéarité, on a alors :
TLp[y(x)]=kTLp[1]TL_p\left[ y''''(x) \right] = -k \, TL_p\left[ 1 \right]
Adoptons la notation usuelle, à savoir Y(p)=TLp[y(x)]Y(p) = TL_p\left[ y(x) \right]. On a alors :
p4Y(p)p3y(0)p2y(0)py(0)y(0)=k1pp^4 Y(p) - p^3 y(0) - p^2 y'(0) - p y''(0) - y'''(0) = -k \, \dfrac{1}{p}
En faisant usage des conditions initiales, on obtient :
p4Y(p)p30p2cp0d=k1pp^4 Y(p) - p^3 0 - p^2 c - p 0 - d = -k \, \dfrac{1}{p}
Soit :
p4Y(p)cp2d=k1pp^4 Y(p) - c \, p^2 - d = -k \, \dfrac{1}{p}
Soit encore :
p4Y(p)=d+cp2k1pp^4 Y(p) = d + c \, p^2 - k \, \dfrac{1}{p}
De fait, on a :
Y(p)=d1p4+c1p2k1p5Y(p) = d\dfrac{1}{p^4} + c \dfrac{1}{p^2} - k \, \dfrac{1}{p^5}
Mais, d'après les tables de correspondances relatives à la transformation de Laplace, on sait que :
TLp[xn1(n1)!]=1pnTL_p\left[ \dfrac{x^{n-1}}{(n-1)!} \right] = \dfrac{1}{p^n}
De fait, en se souvenant que Y(p)=TLp[y(x)]Y(p) = TL_p\left[ y(x) \right], on peut donc écrire que :
TLp[y(x)]=dTLp[x41(41)!]+cTLp[x21(21)!]kTLp[x51(51)!]TL_p\left[ y(x) \right] = d \, TL_p\left[ \dfrac{x^{4-1}}{(4-1)!} \right] + c \, TL_p\left[ \dfrac{x^{2-1}}{(2-1)!} \right] - k \, TL_p\left[ \dfrac{x^{5-1}}{(5-1)!} \right]
D'où :
TLp[y(x)]=dTLp[x33!]+cTLp[x11!]kTLp[x44!]TL_p\left[ y(x) \right] = d \, TL_p\left[ \dfrac{x^3}{3!} \right] + c \, TL_p\left[ \dfrac{x^1}{1!} \right] - k \, TL_p\left[ \dfrac{x^4}{4!} \right]
Ainsi :
TLp[y(x)]=dTLp[x36]+cTLp[x]kTLp[x424]TL_p\left[ y(x) \right] = d \, TL_p\left[ \dfrac{x^3}{6} \right] + c \, TL_p\left[ x \right] - k \, TL_p\left[ \dfrac{x^4}{24} \right]
Par linéarité de la transformation de Laplace, on a :
TLp[y(x)]=TLp[dx36+cxkx424]TL_p\left[ y(x) \right] = TL_p\left[ d\dfrac{x^3}{6} + c \, x - k \, \dfrac{x^4}{24} \right]
Nous sommes donc conduit à pouvoir écrire que :
y(x)=dx36+cxkx424y(x) = d\dfrac{x^3}{6} + c \, x - k \, \dfrac{x^4}{24}
En factorisant par xx, on obtient :
y(x)=x(dx26+ckx324)y(x) = x \left( d\dfrac{x^2}{6} + c - k \, \dfrac{x^3}{24} \right)
En factorisant par 124\dfrac{1}{24}, on obtient :
y(x)=124x(4dx2+24ckx3)y(x) = \dfrac{1}{24} x \left( 4d x^2 + 24c - k \, x^3 \right)
Mais, on sait que y()=0y(\ell) = 0. Donc :
y()=124(4d2+24ck3)0=124(4d2+24ck3)y(\ell) = \dfrac{1}{24} \ell \left( 4d \ell^2 + 24c - k \, \ell^3 \right) \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, 0 = \dfrac{1}{24} \ell \left( 4d \ell^2 + 24c - k \, \ell^3 \right)
Comme \ell n'est pas nul, d'après l'énoncé, on en déduit alors que :
4d2+24ck3=04d \ell^2 + 24c - k \, \ell^3 = 0
Puis, comme y(x)=dx36+cxkx424y(x) = d\dfrac{x^3}{6} + c \, x - k \, \dfrac{x^4}{24} alors on a :
y(x)=dx22+ckx36y'(x) = d\dfrac{x^2}{2} + c - k \, \dfrac{x^3}{6}
Puis :
y(x)=dx+0kx22y(x)=dxkx22y''(x) = dx + 0 - k \, \dfrac{x^2}{2} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, y''(x) = dx - k \, \dfrac{x^2}{2}
Mais, le sujet nous apprend que y()=0y''(\ell) = 0. Donc :
y()=dk220=dk220=(dk2)y''(\ell) = d\ell - k \, \dfrac{\ell^2}{2} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, 0 = d\ell - k \, \dfrac{\ell^2}{2} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, 0 = \ell \left( d - k \, \dfrac{\ell}{2} \right)
Comme \ell n'est pas nul, d'après l'énoncé, on en déduit alors que :
dk2=0d - k \, \dfrac{\ell}{2} = 0
Ceci nous permet d'affirmer que d=k2d = k \dfrac{\ell}{2} et ainsi 4d=2k4d = 2k\ell. Dès lors, on a alors :
4d2+24ck3=02k2+24ck3=02k3+24ck3=0k3+24c=04d \ell^2 + 24c - k \, \ell^3 = 0 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, 2k\ell \ell^2 + 24c - k \, \ell^3 = 0 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, 2k\ell^3 + 24c - k\ell^3 = 0 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, k\ell^3 + 24c = 0
Ce qui implique que c=k243c = -\dfrac{k}{24}\ell^3. De cela, il nous est maintenant possible d'écrire que :
y(x)=124x(2kx2+24(k243)kx3)y(x) = \dfrac{1}{24} x \left( 2k\ell x^2 + 24\left( -\dfrac{k}{24}\ell^3 \right) - k \, x^3 \right)
Soit :
y(x)=124x(2kx2k3kx3)y(x) = \dfrac{1}{24} x \left( 2k\ell x^2 - k\ell^3 - kx^3 \right)
En factorisant par kk, on obtient :
y(x)=k24x(2x23x3)y(x) = \dfrac{k}{24} x \left( 2\ell x^2 - \ell^3 - x^3 \right)
On constate que le polynôme 2x23x32\ell x^2 - \ell^3 - x^3 admet \ell comme racine évidente. Ainsi nous allons pouvoir factoriser ce polynôme par le facteur xx-\ell. Avec les trois réels φ\varphi, θ\theta et ψ\psi on a :
2x23x3=(x)(φx2+θx+ψ)2\ell x^2 - \ell^3 - x^3 = (x - \ell) \left( \varphi x^2 + \theta x + \psi \right)
En développant le membre de droite, on obtient :
2x23x3=φx3+θx2+ψxφx2θxψ2\ell x^2 - \ell^3 - x^3 = \varphi x^3 + \theta x^2 + \psi x - \varphi \ell x^2 - \theta \ell x - \ell \psi
Soit :
2x23x3=φx3+(θφ)x2+(ψθ)xψ2\ell x^2 - \ell^3 - x^3 = \varphi x^3 + (\theta - \varphi \ell ) x^2 + (\psi - \theta \ell ) x - \ell \psi
Soit encore :
x3+2x2+0x2=φx3+(θφ)x2+(ψθ)xψ- x^3 + 2\ell x^2 + 0x - \ell \ell^2 = \varphi x^3 + (\theta - \varphi \ell ) x^2 + (\psi - \theta \ell ) x - \ell \psi
Par identification, on a donc le système suivant :
{φ=1θφ=2ψθ=0ψ=2\left\lbrace \begin{array}{rcl} \varphi & = & -1 \\ \theta - \varphi \ell & = & 2\ell \\ \psi - \theta \ell & = & 0 \\ \psi & = & \ell^2 \end{array} \right.
Ce qui nous permet d'obtenir :
{φ=1θ+=22θ=0ψ=2\left\lbrace \begin{array}{rcl} \varphi & = & -1 \\ \theta + \ell & = & 2\ell \\ \ell^2 - \theta \ell & = & 0 \\ \psi & = & \ell^2 \end{array} \right.
Donc :
{φ=1θ=2=0ψ=2\left\lbrace \begin{array}{rcl} \varphi & = & -1 \\ \theta & = & \ell \\ \ell^2 - \ell\ell & = & 0 \\ \psi & = & \ell^2 \end{array} \right.
On peut donc écrire que :
2x23x3=(x)(x2+x+2)2\ell x^2 - \ell^3 - x^3 = (x - \ell) \left( - x^2 + \ell x + \ell^2 \right)
Ainsi, on obtient l'expression, de la fonction yy, suivante :
y(x)=k24x(x)(x2+x+2)y(x) = \dfrac{k}{24} x (x - \ell) \left( - x^2 + \ell x + \ell^2 \right)
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)=k24x(x)(x2+x+2)U(x)y(x) = \dfrac{k}{24} x (x - \ell) \left( - x^2 + \ell x + \ell^2 \right) \mathcal{U}(x)

Question 2

Dans le cas de =1\ell = 1, représenter graphiquement l'expression y(x)k\dfrac{y(x)}{k}.

Correction
Lorsque l'on pose =1\ell = 1, on obtient l'expression suivante :
y(x)=k24x(x1)(x2+x+1)U(x)y(x) = \dfrac{k}{24} x (x - 1) \left( - x^2 + x + 1 \right) \mathcal{U}(x)
Ce qui nous donne donc :
y(x)k=124x(x1)(x2+x+1)U(x)\dfrac{y(x)}{k} = \dfrac{1}{24} x (x - 1) \left( - x^2 + x + 1 \right) \mathcal{U}(x)
Graphiquement, on obtient la figure suivante :

\clubsuit \,\, 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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