Soient x et y deux fonctions numériques univariées, toutes les deux, au moins dérivables une fois sur R+. On a les deux conditions initiales suivantes x(0)=1 et y(0)=2. En outre, les deux fonctions x et y vérifient le système différentiel (S) suivant : (S):{x′(t)y′(t)==x(t)+5y(t)x(t)−3y(t) On adoptera les notations suivantes : X(p)=TLp[x(t)] et Y(p)=TLp[y(t)].
Résoudre le système différentiel (S) précédent.
Correction
On a le système différentiel (S) suivant : (S):{x′(t)y′(t)==x(t)+5y(t)x(t)−3y(t) Prenons la transformation de Laplace, membres à membres, des deux équations constitutives de ce système différentiel. On a alors : (S):{pX(p)−x(0)pY(p)−y(0)==X(p)+5Y(p)X(p)−3Y(p) En tenant compte des deux conditions initiales, on obtient : (S):{pX(p)−1pY(p)−2==X(p)+5Y(p)X(p)−3Y(p) Soit : (S):{pX(p)−X(p)pY(p)+3Y(p)==1+5Y(p)X(p)+2 Soit encore : (S):{(p−1)X(p)(p+3)Y(p)==1+5Y(p)X(p)+2 D'où : (S):{(p−1)X(p)−5Y(p)−X(p)+(p+3)Y(p)==12 Que nous allons écrire comme : (S):{(p−1)X(p)−5Y(p)X(p)−(p+3)Y(p)==1−2 Ainsi, avec la première équation, on en déduit que : Y(p)=51(p−1)X(p)−51 De fait, on a : X(p)−(p+3)(51(p−1)X(p)−51)=−2 En développant, on a : X(p)−51(p−1)(p+3)X(p)+51(p+3)=−2 Ce qui nous donne : (1−51(p−1)(p+3))X(p)=−2−51(p+3) D'où : 51(5−(p−1)(p+3))X(p)=51(−10−(p+3)) En simplifiant : (5−(p−1)(p+3))X(p)=−10−(p+3) Ce qui nous donne : (5−p2−3p+p+3)X(p)=−p−13 Ce qui va s'écrire comme : (−p2−2p+8)X(p)=−p−13 Et aussi : (p2+2p−8)X(p)=p+13 D'où : X(p)=p2+2p−8p+13 Or, le polynôme p2+2p−8 admet deux racines réelles différentes qui sont 2 et −4. Ainsi, on a la factorisation p2+2p−8=(p−2)(p+4). Ainsi, on obtient : X(p)=(p−2)(p+4)p+13 Nous allons réaliser une décomposition en éléments simples. Avec A et B deux nombres réels, on a : (p−2)(p+4)p+13=p−2A+p+4B De fait : p+4p+13=Ap−2p−2+p+4B(p−2)⟺p+4p+13=A+p+4B(p−2) Posons p=2, on a alors : 2+42+13=A+2+4B(2−2)⟺615=A+6B(0)⟺615=A+0⟺25=A On peut donc écrire que : p−2p+13=25p−2p+4+B De fait : Posons p=−4, on a alors : −4−2−4+13=25p−2−4+4+B⟺−69=25p−20+B⟺−23=B On arrive donc à l'écriture suivante : (p−2)(p+4)p+13=25p−21−23p+41 Et ainsi : X(p)=25p−21−23p+41 Ce qui nous permet d'écrire, à l'aide des tables de correspondances, que : x(t)=25e2t−23e−4t Mais, on sait que Y(p)=51(p−1)X(p)−51. D'où : Y(p)=51(p−1)p2+2p−8p+13−51 Soit : 5Y(p)=p2+2p−8(p−1)(p+13)−1⟺5Y(p)=p2+2p−8(p−1)(p+13)−p2+2p−8p2+2p−8 Soit encore : 5Y(p)=p2+2p−8p2+12p−13−p2+2p−8p2+2p−8⟺5Y(p)=p2+2p−810p−5⟺Y(p)=p2+2p−82p−1 Soit : Y(p)=(p−2)(p+4)2p−1 Nous allons réaliser une décomposition en éléments simples. Avec a et b deux nombres réels, on a : (p−2)(p+4)2p−1=p−2a+p+4b De fait : p+42p−1=ap−2p−2+p+4b(p−2)⟺p+42p−1=a+p+4b(p−2) Posons p=2, on a alors : 2+42×2−1=a+2+4b(2−2)⟺63=a+6b0⟺63=a⟺21=a D'où : (p−2)(p+4)2p−1=21p−21+p+4b On a donc : p−22p−1=21p−2p+4+bp+4p+4⟺p−22p−1=21p−2p+4+b Posons p=−4, on a alors : −4−22(−4)−1=21−4−2−4+4+b⟺−6−9=21−4−20+b⟺69=b⟺23=b Donc on obtient : (p−2)(p+4)2p−1=21p−21+23p+41 Ce qui implique que : Y(p)=21p−21+23p+41 Ce qui nous permet d'écrire, à l'aide des tables de correspondances, que : y(t)=21e2t+23e−4t Finalement, les solution du système différentiel (S) sont : ⎩⎨⎧x(t)y(t)==21(5e2t−3e−4t)21(e2t+3e−4t)
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