Résoudre par la méthode de Frobenius l'équation différentielle suivante : (1−x2)f′′(x)−xf′(x)=2 - Exercice 1
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La méthode du mathématicien allemand Ferdinand Georg Frobenius (1849 - 1917), est une technique d'obtention du développement en série entières des solutions locales, d'une équation différentielle linéaire de la forme : p(x)dx2d2f(x)+q(x)dxdf(x)+r(x)f(x)=λ(λ∈R) Les expressions p(x), q(x) et r(x) doivent être des expressions développables en séries entières. Ainsi la solution recherchée s'exprime formellement sous la forme d'une série entière convergente : f(x)=n=0∑+∞anxn
Question 1
Résoudre par la méthode de Frobenius l'équation différentielle suivante : (1−x2)f′′(x)−xf′(x)=2 Puis vérifier que f(x)=(arcsin(x))2.
Correction
Suivant la méthode de Frobenius, on pose : f(x)=n=0∑+∞anxn Donc : f′(x)=n=1∑+∞nanxn−1=n=0∑+∞(n+1)an+1xn Et : f′′(x)=n=2∑+∞n(n−1)anxn−2=n=0∑+∞(n+2)(n+1)an+2xn Ainsi, l'équation différentielle prend la forme suivante : (1−x2)n=0∑+∞(n+2)(n+1)an+2xn−xn=0∑+∞(n+1)an+1xn=2 Soit : n=0∑+∞(n+2)(n+1)an+2xn−x2n=0∑+∞(n+2)(n+1)an+2xn−xn=0∑+∞(n+1)an+1xn=2 Soit encore : n=0∑+∞(n+2)(n+1)an+2xn−n=0∑+∞(n+2)(n+1)an+2xn+2−n=0∑+∞(n+1)an+1xn+1=2 Mais, pour avoir dans chacune des sommes, simultanément des termes de même puissance, on a écrire que : n=0∑+∞(n+2)(n+1)an+2xn=2a2x0+6a3x+n=2∑+∞(n+2)(n+1)an+2xn Soit encore : n=0∑+∞(n+2)(n+1)an+2xn=2a2+6a3x+n=0∑+∞(n+4)(n+3)an+4xn+2 Puis, de même, on va écrire que : n=0∑+∞(n+1)an+1xn+1=a1x+n=1∑+∞(n+1)an+1xn+1 Qui s'écrit encore comme : n=0∑+∞(n+1)an+1xn+1=a1x+n=0∑+∞(n+2)an+2xn+2 On a alors l'écriture suivante de l'équation différentielle : 2a2+6a3x+n=0∑+∞(n+4)(n+3)an+4xn+2−n=0∑+∞(n+2)(n+1)an+2xn+2−a1x−n=0∑+∞(n+2)an+2xn+2=2 Ce qui va nous donner : 2a2+(−a1+6a3)x+n=0∑+∞[(n+4)(n+3)an+4−(n+2)(n+1)an+2−(n+2)an+2]xn+2=2 Ce qui, par identification, nous permet d'écrire que : ⎩⎨⎧2a2−a1+6a3(n+4)(n+3)an+4−(n+2)(n+1)an+2−(n+2)an+2===200 Soit : ⎩⎨⎧a2a1(n+4)(n+3)an+4===16a3(n+2)(n+1)an+2+(n+2)an+2 Qui s'écrit également : ⎩⎨⎧a2a1(n+4)(n+3)an+4===16a3(n+2)2an+2 Il va donc falloir distinguer suivant la parité de n. Or, dans l'équation différentielle à résoudre, effectuons une étude de parité en effectuant la substitution x↭−x. En fait on cherche à savoir si une solution paire ou impaire laisse invariante l’eˊquation diffeˊrentielle étudiée. Auquel cas, les coefficients an du D.S.E. admettrons la même parité. On a alors l'étude suivante : (1−(−x)2)f′′(−x)−(−x)f′(−x)=2 Si f est paire alors f′ est impaire, et f′′ est paire à nouveau. D'où : (1−x2)f′′(x)−xf′(x)=2 Donc la solution f paire convient. On dit que l'équation différentielle est paire ou encore symeˊtrique. Il n'en n'ai pas de même avec f impaire. En effet, dans ce cas on trouverai que (1−x2)f′′(x)−xf′(x)=−2 Ainsi, comme la solution f est paire, alors les coefficients an du D.S.E. le sont tous également. Ce qui implique que tous les coefficients d'ordres impairs sont nuls : a1=a3=0. de ce fait, on a alors en posant n+4=2p (avec p entier naturel supérieur ou égal à 2) : (n+4)(n+3)an+4=(n+2)2an+2⟺(2p)(2p−1)a2p=(2p−2)2a2p−2 Ainsi, on obtient : a2p=(2p)(2p−1)(2p−2)2a2p−2 En itérant jusqu'à a2=1, on peut alors écrire : a2p=(2p)(2p−1)(2p−2)2×(2p−2)(2p−3)(2p−4)2...×4×322×1 Ce qui implique : a2p=2(2p)(2p−1)(2p−2)2×(2p−2)(2p−3)(2p−4)2...×4×3×222×1 D'où : a2p=2(2p)(2p−1)22(p−1)2×(2p−2)(2p−3)22(p−2)2...×4×3×222×1 Soit encore : a2p=2(2p)!22(p−1)222(p−2)2...22(p−(p−1)2 Ce qui nous donne : a2p=2(2p)!(22)p−1[(p−1)(p−2)...1]2 Soit : a2p=2(2p)!22p−2[(p−1)!]2 Ce qui nous donne donc : a2p=(2p)!22p−1[(p−1)!]2 Finalement, la solution recherchée est donnée par le D.S.E. suivant : f(x)=p=1∑+∞(2p)!22p−1[(p−1)!]2x2p Puis, la relation (2p)(2p−1)a2p=(2p−2)2a2p−2⟺a2p−2a2p=(2p)(2p−1)(2p−2)2 implique que : p⟶+∞lima2p−2a2p=p⟶+∞lim(2p)(2p−1)(2p−2)2⟺p⟶+∞lima2p−2a2p=p⟶+∞lim4p24p2 Soit : p⟶+∞lima2p−2a2p=1⟺R=1 La solution D.S.E. trouvée est convergente pour −1<x<1. Puis, on a : [(arcsin(x))2]′=2arcsin(x)[arcsin(x)]′=2arcsin(x)1−x21 Soit : [(arcsin(x))2]′=1−x22arcsin(x) Ce qui nous permet d'écrire que : [(arcsin(x))2]′′=[1−x22arcsin(x)]′ Ainsi on obtient : [(arcsin(x))2]′′=1−x22[arcsin(x)]′1−x2−2arcsin(x)21−x2−2x Soit : [(arcsin(x))2]′′=1−x22[arcsin(x)]′1−x2+2arcsin(x)1−x2x D'où : (1−x2)[(arcsin(x))2]′′=2[arcsin(x)]′1−x2+x1−x22arcsin(x) Soit encore : (1−x2)[(arcsin(x))2]′′=2[arcsin(x)]′1−x2+x[(arcsin(x))2]′ Or, on sait que [arcsin(x)]′=1−x21, d'où : (1−x2)[(arcsin(x))2]′′=21−x211−x2+x[(arcsin(x))2]′ Ce qui nous permet d'écrire que : (1−x2)[(arcsin(x))2]′′=2+x[(arcsin(x))2]′ Ainsi, on obtient l'équation suivante : (1−x2)[(arcsin(x))2]′′−x[(arcsin(x))2]′=2 Finalement, en posant f(x)=(arcsin(x))2, on obtient l'expression de l'équation différentielle étudiée initialement : (1−x2)f′′(x)−xf′(x)=2 Donc f(x)=(arcsin(x))2est solution de l’eˊquation diffeˊrentielle eˊtudieˊe. On peut alors écrire que, ∀x∈]−1;1[, on a : (arcsin(x))2=p=1∑+∞(2p)!22p−1[(p−1)!]2x2p
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