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Exercice 9 - Exercice 1

30 min
45
Et encore !
Question 1
Soit ff une fonction numérique univariée causale, au moins deux fois dérivables sur R+\mathbb{R}^+ qui vérifie f(0)=0f(0) = 0 et f(0)=1f'(0) = 1.
En outre, la fonction ff satisfait à l'équation différentielle ordinaire (EDO) suivante :
f(t)+3f(t)+2f(t)=10sin(t)f''(t) + 3\, f'(t) + 2 \, f(t) = 10 \sin(t)

Rechercher la fonction causale ff correspondante.

Correction
On a l'équation différentielle ordinaire suivante :
f(t)+3f(t)+2f(t)=10sin(t)f''(t) + 3\, f'(t) + 2 \, f(t) = 10 \sin(t)
Prenons la transformée de Laplace des deux membres de l'équation précédente. On a alors :
TLp[f(t)+3f(t)+2f(t)]=TLp[10sin(t)]TL_p \left[ f''(t) + 3\, f'(t) + 2 \, f(t) \right] = TL_p \left[ 10 \sin(t) \right]
Par linéarité, on a :
TLp[f(t)]+3TLp[f(t)]+2TLp[f(t)]=10TLp[sin(t)]TL_p \left[ f''(t) \right] + 3 \, TL_p \left[ f'(t) \right] + 2 \, TL_p \left[ f(t) \right] = 10 \, TL_p \left[ \sin(t) \right]
On adopte la notation usuelle F(p)=TLp[f(t)]F(p) = TL_p \left[ f(t) \right]. De fait, on a : p2F(p)pf(0)f(0)+3(pF(p)0)+2F(p)=101p2+1p^2 F(p) - p f(0) - f'(0) + 3 \, \left( p F(p) - 0 \right) + 2 \, F(p) = 10 \, \dfrac{1}{p^2 + 1}
En tenant compte des conditions initiales, on obtient :
p2F(p)p01+3(pF(p)0)+2F(p)=101p2+1p^2 F(p) - p 0 - 1 + 3 \, \left( p F(p) - 0 \right) + 2 \, F(p) = 10 \, \dfrac{1}{p^2 + 1}
Soit :
p2F(p)1+3pF(p)+2F(p)=101p2+1p^2 F(p) - 1 + 3p \, F(p) + 2 \, F(p) = 10 \, \dfrac{1}{p^2 + 1}
Soit encore :
(p2+3p+2)F(p)=10p2+1+1\left( p^2 + 3p + 2 \right) F(p) = \dfrac{10}{p^2 + 1} + 1
Donc :
(p2+3p+2)F(p)=10p2+1+p2+1p2+1\left( p^2 + 3p + 2 \right) F(p) = \dfrac{10}{p^2 + 1} + \dfrac{p^2 + 1}{p^2 + 1}
D'où :
(p2+3p+2)F(p)=p2+11p2+1\left( p^2 + 3p + 2 \right) F(p) = \dfrac{p^2 + 11}{p^2 + 1}
Or, le polynôme du second degré p2+3p+2p^2 + 3p + 2 admet deux racines réelles distinctes qui sont 1-1 et 2-2. De fait, on a :
p2+3p+2=(p(1))(p(2))=(p+1)(p+2)p^2 + 3p + 2 = (p-(-1)) (p-(-2)) = (p+1) (p+2)
Ce qui nous permet d'écrire que :
(p+1)(p+2)F(p)=p2+11p2+1(p+1) (p+2) F(p) = \dfrac{p^2 + 11}{p^2 + 1}
Ainsi :
F(p)=p2+11(p+1)(p+2)(p2+1)F(p) = \dfrac{p^2 + 11}{(p+1) (p+2) (p^2 + 1)}
Nous allons réaliser une décomposition en éléments simples. Avec AA, BB, CC et DD qui sont quatre nombres réels, on a :
p2+11(p+1)(p+2)(p2+1)=Ap+1+Bp+2+Cp+Dp2+1\dfrac{p^2 + 11}{(p+1) (p+2) (p^2 + 1)} = \dfrac{A}{p+1} + \dfrac{B}{p+2} + \dfrac{Cp+D}{p^2 + 1}
Donc :
p2+11(p+2)(p2+1)=Ap+1p+1+B(p+1)p+2+(Cp+D)(p+1)p2+1\dfrac{p^2 + 11}{(p+2) (p^2 + 1)} = A\dfrac{p+1}{p+1} + \dfrac{B(p+1)}{p+2} + \dfrac{(Cp+D)(p+1)}{p^2 + 1}
En simplifiant :
p2+11(p+2)(p2+1)=A+B(p+1)p+2+(Cp+D)(p+1)p2+1\dfrac{p^2 + 11}{(p+2) (p^2 + 1)} = A + \dfrac{B(p+1)}{p+2} + \dfrac{(Cp+D)(p+1)}{p^2 + 1}
Posons maintenant p=1p=-1. On a donc :
(1)2+11(1+2)((1)2+1)=A+B(1+1)1+2+(C(1)+D)(1+1)(1)2+1\dfrac{(-1)^2 + 11}{(-1+2) ((-1)^2 + 1)} = A + \dfrac{B(-1+1)}{-1+2} + \dfrac{(C(-1)+D)(-1+1)}{(-1)^2 + 1}
Soit :
122=A+B(0)1+C+D)(0)2\dfrac{12}{2} = A + \dfrac{B(0)}{1} + \dfrac{-C+D)(0)}{2}
On trouve immédiatement que A=6A = 6. Donc on a :
p2+11(p+1)(p+2)(p2+1)=61p+1+Bp+2+Cp+Dp2+1\dfrac{p^2 + 11}{(p+1) (p+2) (p^2 + 1)} = 6\dfrac{1}{p+1} + \dfrac{B}{p+2} + \dfrac{Cp+D}{p^2 + 1}
Puis, on a aussi :
p2+11(p+1)(p2+1)=6p+2p+1+Bp+2p+2+(Cp+D)(p+2)p2+1\dfrac{p^2 + 11}{(p+1) (p^2 + 1)} = 6\dfrac{p+2}{p+1} + B\dfrac{p+2}{p+2} + \dfrac{(Cp+D)(p+2)}{p^2 + 1}
En simplifiant :
p2+11(p+1)(p2+1)=6p+2p+1+B+(Cp+D)(p+2)p2+1\dfrac{p^2 + 11}{(p+1) (p^2 + 1)} = 6\dfrac{p+2}{p+1} + B + \dfrac{(Cp+D)(p+2)}{p^2 + 1}
Posons maintenant p=2p=-2. On a donc :
(2)2+11(2+1)((2)2+1)=62+22+1+B+(C(2)+D)(2+2)(2)2+1\dfrac{(-2)^2 + 11}{(-2+1) ((-2)^2 + 1)} = 6\dfrac{-2+2}{-2+1} + B + \dfrac{(C(-2)+D)(-2+2)}{(-2)^2 + 1}
Soit :
155=601+B+(2C+D)(0)5\dfrac{15}{-5} = 6\dfrac{0}{-1} + B + \dfrac{(-2C+D)(0)}{5}
On trouve alors que B=155=3B = -\dfrac{15}{5} = -3. Ainsi, on obtient :
p2+11(p+1)(p+2)(p2+1)=61p+131p+2+Cp+Dp2+1\dfrac{p^2 + 11}{(p+1) (p+2) (p^2 + 1)} = 6\dfrac{1}{p+1} - 3\dfrac{1}{p+2} + \dfrac{Cp+D}{p^2 + 1}
Dans cette expression, posons p=0p=0, on a alors :
02+11(0+1)(0+2)(02+1)=610+1310+2+C0+D02+1\dfrac{0^2 + 11}{(0+1) (0+2) (0^2 + 1)} = 6\dfrac{1}{0+1} - 3\dfrac{1}{0+2} + \dfrac{C0+D}{0^2 + 1}
Soit :
112=611312+D1112=632+D112=92+D11292=D1192=D\dfrac{11}{2} = 6\dfrac{1}{1} - 3\dfrac{1}{2} + \dfrac{D}{1} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{11}{2} = 6 - \dfrac{3}{2} + D \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{11}{2} = \dfrac{9}{2} + D \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{11}{2} - \dfrac{9}{2} = D \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{11-9}{2} = D
On trouve que D=22=1D = \dfrac{2}{2} = 1. On a alors :
p2+11(p+1)(p+2)(p2+1)=61p+131p+2+Cp+1p2+1\dfrac{p^2 + 11}{(p+1) (p+2) (p^2 + 1)} = 6\dfrac{1}{p+1} - 3\dfrac{1}{p+2} + \dfrac{Cp+1}{p^2 + 1}
Dans cette expression, posons p=1p=1, on a alors :
12+11(1+1)(1+2)(12+1)=611+1311+2+C1+112+1\dfrac{1^2 + 11}{(1+1) (1+2) (1^2 + 1)} = 6\dfrac{1}{1+1} - 3\dfrac{1}{1+2} + \dfrac{C1+1}{1^2 + 1}
Soit :
1212=612313+C+121=31+C+121=2+C+1212=C+12\dfrac{12}{12} = 6\dfrac{1}{2} - 3\dfrac{1}{3} + \dfrac{C+1}{2} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, 1 = 3 - 1 + \dfrac{C+1}{2} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, 1 = 2 + \dfrac{C+1}{2} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, 1 - 2 = \dfrac{C+1}{2}
Soit encore :
1=C+122=C+121=C3=C-1 = \dfrac{C+1}{2} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, -2 = C + 1 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, -2 - 1 = C \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, -3 = C
On obtient donc :
p2+11(p+1)(p+2)(p2+1)=61p+131p+2+3p+1p2+1\dfrac{p^2 + 11}{(p+1) (p+2) (p^2 + 1)} = 6\dfrac{1}{p+1} - 3\dfrac{1}{p+2} + \dfrac{-3p+1}{p^2 + 1}
Ainsi :
F(p)=61p+131p+2+3p+1p2+1F(p) = 6\dfrac{1}{p+1} - 3\dfrac{1}{p+2} + \dfrac{-3p+1}{p^2 + 1}
Que nous allons écrire comme :
F(p)=61p+131p+23pp2+12+1p2+12F(p) = 6\dfrac{1}{p+1} - 3\dfrac{1}{p+2} - 3\dfrac{p}{p^2 + 1^2} + \dfrac{1}{p^2 + 1^2}
Dès lors, on a :
TLp[f(t)]=6TLp[et]3TLp[e2t]3TLp[cos(t)]+TLp[sin(t)]TL_p \left[ f(t) \right] = 6 \, TL_p \left[ e^{-t} \right] - 3 \, TL_p \left[ e^{-2t} \right] - 3 \, TL_p \left[ \cos(t) \right] + TL_p \left[ \sin(t) \right]
par linéarité :
TLp[f(t)]=TLp[6et3e2t3cos(t)+sin(t)]TL_p \left[ f(t) \right] = TL_p \left[ 6 \, e^{-t} - 3 \,e^{-2t} - 3 \, \cos(t) + \sin(t) \right]
On a alors :
f(t)=6et3e2t3cos(t)+sin(t)f(t) = 6 \, e^{-t} - 3 \,e^{-2t} - 3 \, \cos(t) + \sin(t)
Ainsi de faire explicitement apparaître lez caractère causal de la fonction numérique univariée recherchée ff, nous allons faire apparaitre l'echelon unité U(t)\mathcal{U}(t). On obtient finalement :
f(t)=(6et3e2t3cos(t)+sin(t))U(t)f(t) = \left( 6 \, e^{-t} - 3 \,e^{-2t} - 3 \, \cos(t) + \sin(t) \right) \mathcal{U}(t)

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