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Exercice 20 - Exercice 1

40 min
60
Résolution d'un système différentiel.
Question 1
Soient xx et yy deux fonctions numériques univariées, toutes les deux, au moins dérivables une fois sur R+\mathbb{R}^+.
On a les deux conditions initiales suivantes x(0)=1x(0) = 1 et y(0)=2y(0) = 2.
En outre, les deux fonctions xx et yy vérifient le système différentiel (S)(\mathcal{S}) suivant :
(S):{x(t)=x(t)+5y(t)y(t)=x(t)3y(t)(\mathcal{S}) : \,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} x'(t) & = & x(t) + 5y(t) \\ y'(t) & = & x(t) - 3y(t) \\ \end{array} \right.
On adoptera les notations suivantes : X(p)=TLp[x(t)]X(p) = TL_p\left[ x(t)\right] et Y(p)=TLp[y(t)]Y(p) = TL_p\left[ y(t)\right].

Résoudre le système différentiel (S)(\mathcal{S}) précédent.

Correction
On a le système différentiel (S)(\mathcal{S}) suivant :
(S):{x(t)=x(t)+5y(t)y(t)=x(t)3y(t)(\mathcal{S}) : \,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} x'(t) & = & x(t) + 5y(t) \\ y'(t) & = & x(t) - 3y(t) \\ \end{array} \right.
Prenons la transformation de Laplace, membres à membres, des deux équations constitutives de ce système différentiel. On a alors :
(S):{pX(p)x(0)=X(p)+5Y(p)pY(p)y(0)=X(p)3Y(p)(\mathcal{S}) : \,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} pX(p) - x(0) & = & X(p) + 5Y(p) \\ pY(p) - y(0) & = & X(p) - 3Y(p) \\ \end{array} \right.
En tenant compte des deux conditions initiales, on obtient :
(S):{pX(p)1=X(p)+5Y(p)pY(p)2=X(p)3Y(p)(\mathcal{S}) : \,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} pX(p) - 1 & = & X(p) + 5Y(p) \\ pY(p) - 2 & = & X(p) - 3Y(p) \\ \end{array} \right.
Soit :
(S):{pX(p)X(p)=1+5Y(p)pY(p)+3Y(p)=X(p)+2(\mathcal{S}) : \,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} pX(p) - X(p) & = & 1 + 5Y(p) \\ pY(p) + 3Y(p) & = & X(p) + 2 \\ \end{array} \right.
Soit encore :
(S):{(p1)X(p)=1+5Y(p)(p+3)Y(p)=X(p)+2(\mathcal{S}) : \,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} (p-1)X(p) & = & 1 + 5Y(p) \\ (p+3)Y(p) & = & X(p) + 2 \\ \end{array} \right.
D'où :
(S):{(p1)X(p)5Y(p)=1X(p)+(p+3)Y(p)=2(\mathcal{S}) : \,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} (p-1)X(p) - 5Y(p) & = & 1 \\ -X(p) + (p+3)Y(p) & = & 2 \\ \end{array} \right.
Que nous allons écrire comme :
(S):{(p1)X(p)5Y(p)=1X(p)(p+3)Y(p)=2(\mathcal{S}) : \,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} (p-1)X(p) - 5Y(p) & = & 1 \\ X(p) - (p+3)Y(p) & = & -2 \\ \end{array} \right.
Ainsi, avec la première équation, on en déduit que :
Y(p)=15(p1)X(p)15Y(p) = \dfrac{1}{5}(p-1)X(p) - \dfrac{1}{5}
De fait, on a :
X(p)(p+3)(15(p1)X(p)15)=2X(p) - (p+3)\left( \dfrac{1}{5}(p-1)X(p) - \dfrac{1}{5} \right) = -2
En développant, on a :
X(p)15(p1)(p+3)X(p)+15(p+3)=2X(p) - \dfrac{1}{5}(p-1)(p+3)X(p) + \dfrac{1}{5}(p+3) = -2
Ce qui nous donne :
(115(p1)(p+3))X(p)=215(p+3)\left( 1 - \dfrac{1}{5}(p-1)(p+3)\right)X(p) = -2 - \dfrac{1}{5}(p+3)
D'où :
15(5(p1)(p+3))X(p)=15(10(p+3))\dfrac{1}{5}\left( 5 - (p-1)(p+3)\right)X(p) = \dfrac{1}{5} \left(-10 - (p+3) \right)
En simplifiant :
(5(p1)(p+3))X(p)=10(p+3)\left( 5 - (p-1)(p+3)\right)X(p) = -10 - (p+3)
Ce qui nous donne :
(5p23p+p+3)X(p)=p13\left( 5 - p^2 - 3p + p+3 \right)X(p) = -p - 13
Ce qui va s'écrire comme :
(p22p+8)X(p)=p13\left( - p^2 - 2p + 8 \right)X(p) = -p - 13
Et aussi :
(p2+2p8)X(p)=p+13\left( p^2 + 2p - 8 \right)X(p) = p + 13
D'où :
X(p)=p+13p2+2p8X(p) = \dfrac{p + 13}{p^2 + 2p - 8}
Or, le polynôme p2+2p8p^2 + 2p - 8 admet deux racines réelles différentes qui sont 22 et 4-4. Ainsi, on a la factorisation p2+2p8=(p2)(p+4)p^2 + 2p - 8 = (p-2)(p+4). Ainsi, on obtient :
X(p)=p+13(p2)(p+4)X(p) = \dfrac{p + 13}{(p-2)(p+4)}
Nous allons réaliser une décomposition en éléments simples. Avec AA et BB deux nombres réels, on a :
p+13(p2)(p+4)=Ap2+Bp+4\dfrac{p + 13}{(p-2)(p+4)} = \dfrac{A}{p-2} + \dfrac{B}{p+4}
De fait :
p+13p+4=Ap2p2+B(p2)p+4p+13p+4=A+B(p2)p+4\dfrac{p + 13}{p+4} = A\dfrac{p-2}{p-2} + \dfrac{B(p-2)}{p+4} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{p + 13}{p+4} = A + \dfrac{B(p-2)}{p+4}
Posons p=2p=2, on a alors :
2+132+4=A+B(22)2+4156=A+B(0)6156=A+052=A\dfrac{2 + 13}{2+4} = A + \dfrac{B(2-2)}{2+4} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{15}{6} = A + \dfrac{B(0)}{6} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{15}{6} = A + 0 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{5}{2} = A
On peut donc écrire que :
p+13p2=52p+4p2+B\dfrac{p + 13}{p-2} = \dfrac{5}{2}\dfrac{p+4}{p-2} + B
De fait :
Posons p=4p=-4, on a alors :
4+1342=524+4p2+B96=520p2+B32=B\dfrac{-4 + 13}{-4-2} = \dfrac{5}{2}\dfrac{-4+4}{p-2} + B \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{9}{-6} = \dfrac{5}{2}\dfrac{0}{p-2} + B \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, -\dfrac{3}{2} = B
On arrive donc à l'écriture suivante :
p+13(p2)(p+4)=521p2321p+4\dfrac{p + 13}{(p-2)(p+4)} = \dfrac{5}{2}\dfrac{1}{p-2} - \dfrac{3}{2} \dfrac{1}{p+4}
Et ainsi :
X(p)=521p2321p+4X(p) = \dfrac{5}{2}\dfrac{1}{p-2} - \dfrac{3}{2} \dfrac{1}{p+4}
Ce qui nous permet d'écrire, à l'aide des tables de correspondances, que :
x(t)=52e2t32e4tx(t) = \dfrac{5}{2} e^{2t} - \dfrac{3}{2} e^{-4t}
Mais, on sait que Y(p)=15(p1)X(p)15Y(p) = \dfrac{1}{5}(p-1)X(p) - \dfrac{1}{5}. D'où :
Y(p)=15(p1)p+13p2+2p815Y(p) = \dfrac{1}{5}(p-1)\dfrac{p + 13}{p^2 + 2p - 8} - \dfrac{1}{5}
Soit :
5Y(p)=(p1)(p+13)p2+2p815Y(p)=(p1)(p+13)p2+2p8p2+2p8p2+2p85Y(p) = \dfrac{(p-1)(p + 13)}{p^2 + 2p - 8} - 1 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, 5Y(p) = \dfrac{(p-1)(p + 13)}{p^2 + 2p - 8} - \dfrac{p^2 + 2p - 8}{p^2 + 2p - 8}
Soit encore :
5Y(p)=p2+12p13p2+2p8p2+2p8p2+2p85Y(p)=10p5p2+2p8Y(p)=2p1p2+2p85Y(p) = \dfrac{p^2 + 12p - 13}{p^2 + 2p - 8} - \dfrac{p^2 + 2p - 8}{p^2 + 2p - 8} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, 5Y(p) = \dfrac{10p - 5}{p^2 + 2p - 8}\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, Y(p) = \dfrac{2p - 1}{p^2 + 2p - 8}
Soit :
Y(p)=2p1(p2)(p+4)Y(p) = \dfrac{2p - 1}{(p-2)(p+4)}
Nous allons réaliser une décomposition en éléments simples. Avec aa et bb deux nombres réels, on a :
2p1(p2)(p+4)=ap2+bp+4\dfrac{2p - 1}{(p-2)(p+4)} = \dfrac{a}{p-2} + \dfrac{b}{p+4}
De fait :
2p1p+4=ap2p2+b(p2)p+42p1p+4=a+b(p2)p+4\dfrac{2p - 1}{p+4} = a\dfrac{p-2}{p-2} + \dfrac{b(p-2)}{p+4} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{2p - 1}{p+4} = a + \dfrac{b(p-2)}{p+4}
Posons p=2p=2, on a alors :
2×212+4=a+b(22)2+436=a+b0636=a12=a\dfrac{2\times 2 - 1}{2+4} = a + \dfrac{b(2-2)}{2+4} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{3}{6} = a + \dfrac{b0}{6} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{3}{6} = a \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{1}{2} = a
D'où :
2p1(p2)(p+4)=121p2+bp+4\dfrac{2p - 1}{(p-2)(p+4)} = \dfrac{1}{2}\dfrac{1}{p-2} + \dfrac{b}{p+4}
On a donc :
2p1p2=12p+4p2+bp+4p+42p1p2=12p+4p2+b\dfrac{2p - 1}{p-2} = \dfrac{1}{2}\dfrac{p+4}{p-2} + b\dfrac{p+4}{p+4} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{2p - 1}{p-2} = \dfrac{1}{2}\dfrac{p+4}{p-2} + b
Posons p=4p=-4, on a alors :
2(4)142=124+442+b96=12042+b96=b32=b\dfrac{2(-4) - 1}{-4-2} = \dfrac{1}{2}\dfrac{-4+4}{-4-2} + b \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{-9}{-6} = \dfrac{1}{2}\dfrac{0}{-4-2} + b \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{9}{6} = b \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{3}{2} = b
Donc on obtient :
2p1(p2)(p+4)=121p2+321p+4\dfrac{2p - 1}{(p-2)(p+4)} = \dfrac{1}{2}\dfrac{1}{p-2} + \dfrac{3}{2} \dfrac{1}{p+4}
Ce qui implique que :
Y(p)=121p2+321p+4Y(p) = \dfrac{1}{2}\dfrac{1}{p-2} + \dfrac{3}{2} \dfrac{1}{p+4}
Ce qui nous permet d'écrire, à l'aide des tables de correspondances, que :
y(t)=12e2t+32e4ty(t) = \dfrac{1}{2} e^{2t} + \dfrac{3}{2} e^{-4t}
Finalement, les solution du système différentiel (S)(\mathcal{S}) sont :
{x(t)=12(5e2t3e4t)y(t)=12(e2t+3e4t)\left\lbrace \begin{array}{rcl} x(t) & = & \dfrac{1}{2} \left( 5 e^{2t} - 3 e^{-4t} \right) \\ & & \\y(t) & = & \dfrac{1}{2} \left( e^{2t} + 3 e^{-4t} \right) \\ \end{array} \right.

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