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Résoudre par la méthode de Frobenius l'équation différentielle suivante : (1x2)f(x)xf(x)=2(1-x^2) f''(x) - x f'(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)d2fdx2(x)+q(x)dfdx(x)+r(x)f(x)=λ(λR)p(x) \dfrac{\mathrm{d}^2f}{\mathrm{d}x^2}(x) + q(x) \dfrac{\mathrm{d}f}{\mathrm{d}x}(x) + r(x) f(x) = \lambda \,\,\,\, (\lambda \in \mathbb{R})
Les expressions p(x)p(x), q(x)q(x) et r(x)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+anxnf(x) = \sum_{n = 0}^{+\infty} a_n x^n
Question 1

Résoudre par la méthode de Frobenius l'équation différentielle suivante :
(1x2)f(x)xf(x)=2(1-x^2) f''(x) - x f'(x) = 2
Puis vérifier que f(x)=(arcsin(x))2f(x) = (\arcsin(x))^2.

Correction
Suivant la méthode de Frobenius, on pose :
f(x)=n=0+anxnf(x) = \sum_{n = 0}^{+\infty} a_n x^n
Donc :
f(x)=n=1+nanxn1=n=0+(n+1)an+1xnf'(x) = \sum_{n = 1}^{+\infty} n a_n x^{n-1} = \sum_{n = 0}^{+\infty} (n+1) a_{n+1} x^{n}
Et :
f(x)=n=2+n(n1)anxn2=n=0+(n+2)(n+1)an+2xnf''(x) = \sum_{n = 2}^{+\infty} n (n-1) a_n x^{n-2} = \sum_{n = 0}^{+\infty} (n+2)(n+1) a_{n+2} x^{n}
Ainsi, l'équation différentielle prend la forme suivante :
(1x2)n=0+(n+2)(n+1)an+2xnxn=0+(n+1)an+1xn=2(1-x^2) \sum_{n = 0}^{+\infty} (n+2)(n+1) a_{n+2} x^{n} - x \sum_{n = 0}^{+\infty} (n+1) a_{n+1} x^{n} = 2
Soit :
n=0+(n+2)(n+1)an+2xnx2n=0+(n+2)(n+1)an+2xnxn=0+(n+1)an+1xn=2\sum_{n = 0}^{+\infty} (n+2)(n+1) a_{n+2} x^{n} -x^2 \sum_{n = 0}^{+\infty} (n+2)(n+1) a_{n+2} x^{n} - x \sum_{n = 0}^{+\infty} (n+1) a_{n+1} x^{n} = 2
Soit encore :
n=0+(n+2)(n+1)an+2xnn=0+(n+2)(n+1)an+2xn+2n=0+(n+1)an+1xn+1=2\sum_{n = 0}^{+\infty} (n+2)(n+1) a_{n+2} x^{n} - \sum_{n = 0}^{+\infty} (n+2)(n+1) a_{n+2} x^{n+2} - \sum_{n = 0}^{+\infty} (n+1) a_{n+1} x^{n+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\sum_{n = 0}^{+\infty} (n+2)(n+1) a_{n+2} x^{n} = 2 a_2 x^0 + 6 a_3 x + \sum_{n = 2}^{+\infty} (n+2)(n+1) a_{n+2} x^{n}
Soit encore :
n=0+(n+2)(n+1)an+2xn=2a2+6a3x+n=0+(n+4)(n+3)an+4xn+2\sum_{n = 0}^{+\infty} (n+2)(n+1) a_{n+2} x^{n} = 2 a_2 + 6 a_3 x + \sum_{n = 0}^{+\infty} (n+4)(n+3) a_{n+4} x^{n+2}
Puis, de même, on va écrire que :
n=0+(n+1)an+1xn+1=a1x+n=1+(n+1)an+1xn+1\sum_{n = 0}^{+\infty} (n+1) a_{n+1} x^{n+1} = a_1 x + \sum_{n = 1}^{+\infty} (n+1) a_{n+1} x^{n+1}
Qui s'écrit encore comme :
n=0+(n+1)an+1xn+1=a1x+n=0+(n+2)an+2xn+2\sum_{n = 0}^{+\infty} (n+1) a_{n+1} x^{n+1} = a_1 x + \sum_{n = 0}^{+\infty} (n+2) a_{n+2} x^{n+2}
On a alors l'écriture suivante de l'équation différentielle :
2a2+6a3x+n=0+(n+4)(n+3)an+4xn+2n=0+(n+2)(n+1)an+2xn+2a1xn=0+(n+2)an+2xn+2=22 a_2 + 6 a_3 x + \sum_{n = 0}^{+\infty} (n+4)(n+3) a_{n+4} x^{n+2} - \sum_{n = 0}^{+\infty} (n+2)(n+1) a_{n+2} x^{n+2} - a_1 x - \sum_{n = 0}^{+\infty} (n+2) a_{n+2} x^{n+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=22 a_2 + (- a_1 + 6 a_3) x + \sum_{n = 0}^{+\infty} \left[ (n+4)(n+3) a_{n+4} - (n+2)(n+1) a_{n+2} - (n+2) a_{n+2} \right] x^{n+2} = 2
Ce qui, par identification, nous permet d'écrire que :
{2a2=2a1+6a3=0(n+4)(n+3)an+4(n+2)(n+1)an+2(n+2)an+2=0\left\lbrace \begin{array}{rcl} 2 a_2 & = & 2 \\ & & \\ - a_1 + 6 a_3 & = & 0 \\ & & \\ (n+4)(n+3) a_{n+4} - (n+2)(n+1) a_{n+2} - (n+2) a_{n+2} & = & 0 \end{array} \right.
Soit :
{a2=1a1=6a3(n+4)(n+3)an+4=(n+2)(n+1)an+2+(n+2)an+2\left\lbrace \begin{array}{rcl} a_2 & = & 1 \\ & & \\ a_1 & = & 6 a_3 \\ & & \\ (n+4)(n+3) a_{n+4} & = & (n+2)(n+1) a_{n+2} + (n+2) a_{n+2} \end{array} \right.
Qui s'écrit également :
{a2=1a1=6a3(n+4)(n+3)an+4=(n+2)2an+2\left\lbrace \begin{array}{rcl} a_2 & = & 1 \\ & & \\ a_1 & = & 6 a_3 \\ & & \\ (n+4)(n+3) a_{n+4} & = & (n+2)^2 a_{n+2} \end{array} \right.
Il va donc falloir distinguer suivant la parité de nn. Or, dans l'équation différentielle à résoudre, effectuons une étude de parité en effectuant la substitution xxx \leftrightsquigarrow -x.
En fait on cherche à savoir si une solution paire ou impaire laisse invariante l’eˊquation diffeˊrentielle\textbf{laisse invariante l'équation différentielle} étudiée. Auquel cas, les coefficients ana_n du D.S.E. admettrons la même parité. On a alors l'étude suivante :
(1(x)2)f(x)(x)f(x)=2(1 - (-x)^2) f''(-x) - (-x) f'(-x) = 2
Si ff est paire alors ff' est impaire, et ff'' est paire à nouveau. D'où :
(1x2)f(x)xf(x)=2(1 - x^2) f''(x) - x f'(x) = 2
Donc la solution ff paire convient. On dit que l'équation différentielle est paire\textit{paire} ou encore symeˊtrique\textit{symétrique}. Il n'en n'ai pas de même avec ff impaire. En effet, dans ce cas on trouverai que (1x2)f(x)xf(x)=2(1 - x^2) f''(x) - x f'(x) = -2
Ainsi, comme la solution ff est paire, alors les coefficients ana_n du D.S.E. le sont tous également.
Ce qui implique que tous les coefficients d'ordres impairs sont nuls : a1=a3=0a_1 = a_3 = 0. de ce fait, on a alors en posant n+4=2pn+4 = 2p (avec pp entier naturel supérieur ou égal à 22) :
(n+4)(n+3)an+4=(n+2)2an+2(2p)(2p1)a2p=(2p2)2a2p2(n+4)(n+3) a_{n+4} = (n+2)^2 a_{n+2} \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, (2p)(2p-1) a_{2p} = (2p-2)^2 a_{2p-2}
Ainsi, on obtient :
a2p=(2p2)2(2p)(2p1)a2p2a_{2p} = \dfrac{ (2p-2)^2 }{(2p)(2p-1)} a_{2p-2}
En itérant jusqu'à a2=1a_2=1, on peut alors écrire :
a2p=(2p2)2(2p)(2p1)×(2p4)2(2p2)(2p3)...×224×3×1a_{2p} = \dfrac{ (2p-2)^2 }{(2p)(2p-1)} \times \dfrac{(2p-4)^2}{(2p-2)(2p-3)} ... \times \dfrac{2^2}{4\times 3}\times 1
Ce qui implique :
a2p=2(2p2)2(2p)(2p1)×(2p4)2(2p2)(2p3)...×224×3×2×1a_{2p} = 2 \dfrac{ (2p-2)^2 }{(2p)(2p-1)} \times \dfrac{(2p-4)^2}{(2p-2)(2p-3)} ... \times \dfrac{2^2}{4\times 3 \times 2} \times 1
D'où :
a2p=222(p1)2(2p)(2p1)×22(p2)2(2p2)(2p3)...×22×14×3×2a_{2p} = 2 \dfrac{ 2^2 (p-1)^2 }{(2p)(2p-1)} \times \dfrac{2^2 (p-2)^2}{(2p-2)(2p-3)} ... \times \dfrac{2^2\times 1}{4\times 3 \times 2}
Soit encore :
a2p=222(p1)222(p2)2...22(p(p1)2(2p)!a_{2p} = 2 \dfrac{2^2(p-1)^2 2^2 (p-2)^2 ... 2^2(p-(p-1)^2}{(2p)!}
Ce qui nous donne :
a2p=2(22)p1[(p1)(p2)...1]2(2p)!a_{2p} = 2 \dfrac{(2^2)^{p-1}\left[ (p-1) (p-2) ... 1 \right]^2}{(2p)!}
Soit :
a2p=222p2[(p1)!]2(2p)!a_{2p} = 2 \dfrac{2^{2p-2} \left[ (p-1)! \right]^2}{(2p)!}
Ce qui nous donne donc :
a2p=22p1[(p1)!]2(2p)!a_{2p} = \dfrac{2^{2p-1} \left[ (p-1)! \right]^2}{(2p)!}
Finalement, la solution recherchée est donnée par le D.S.E. suivant :
f(x)=p=1+22p1[(p1)!]2(2p)!x2pf(x) = \sum_{p=1}^{+\infty} \dfrac{2^{2p-1} \left[ (p-1)! \right]^2}{(2p)!} x^{2p}
Puis, la relation (2p)(2p1)a2p=(2p2)2a2p2a2pa2p2=(2p2)2(2p)(2p1)(2p)(2p-1) a_{2p} = (2p-2)^2 a_{2p-2} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{a_{2p}}{a_{2p-2}} = \dfrac{(2p-2)^2}{(2p)(2p-1)} implique que :
limp+a2pa2p2=limp+(2p2)2(2p)(2p1)limp+a2pa2p2=limp+4p24p2\lim_{p \longrightarrow +\infty} \dfrac{a_{2p}}{a_{2p-2}} = \lim_{p \longrightarrow +\infty} \dfrac{(2p-2)^2}{(2p)(2p-1)} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \lim_{p \longrightarrow +\infty} \dfrac{a_{2p}}{a_{2p-2}} = \lim_{p \longrightarrow +\infty} \dfrac{4p^2}{4p^2}
Soit :
limp+a2pa2p2=1R=1\lim_{p \longrightarrow +\infty} \dfrac{a_{2p}}{a_{2p-2}} = 1 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, R = 1
La solution D.S.E. trouvée est convergente pour 1<x<1-1<x<1.
Puis, on a :
[(arcsin(x))2]=2arcsin(x)[arcsin(x)]=2arcsin(x)11x2\left[ (\arcsin(x))^2 \right]' = 2 \arcsin(x) \left[ \arcsin(x) \right]' = 2 \arcsin(x) \dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}}
Soit :
[(arcsin(x))2]=2arcsin(x)1x2\left[ (\arcsin(x))^2 \right]' = \dfrac{2 \arcsin(x)}{\sqrt{1-x^2}}
Ce qui nous permet d'écrire que :
[(arcsin(x))2]=[2arcsin(x)1x2]\left[ (\arcsin(x))^2 \right]'' = \left[ \dfrac{2 \arcsin(x)}{\sqrt{1-x^2}} \right]'
Ainsi on obtient :
[(arcsin(x))2]=2[arcsin(x)]1x22arcsin(x)2x21x21x2\left[ (\arcsin(x))^2 \right]'' = \dfrac{2 \left[ \arcsin(x) \right]'\sqrt{1-x^2} - 2\arcsin(x)\dfrac{-2x}{2\sqrt{1-x^2}}}{1-x^2}
Soit :
[(arcsin(x))2]=2[arcsin(x)]1x2+2arcsin(x)x1x21x2\left[ (\arcsin(x))^2 \right]'' = \dfrac{2 \left[ \arcsin(x) \right]'\sqrt{1-x^2} + 2\arcsin(x)\dfrac{x}{\sqrt{1-x^2}}}{1-x^2}
D'où :
(1x2)[(arcsin(x))2]=2[arcsin(x)]1x2+x2arcsin(x)1x2(1-x^2)\left[ (\arcsin(x))^2 \right]'' = 2 \left[ \arcsin(x) \right]'\sqrt{1-x^2} + x \dfrac{2\arcsin(x)}{\sqrt{1-x^2}}
Soit encore :
(1x2)[(arcsin(x))2]=2[arcsin(x)]1x2+x[(arcsin(x))2](1-x^2)\left[ (\arcsin(x))^2 \right]'' = 2 \left[ \arcsin(x) \right]'\sqrt{1-x^2} + x \left[ (\arcsin(x))^2 \right]'
Or, on sait que [arcsin(x)]=11x2\left[ \arcsin(x) \right]' = \dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}}, d'où :
(1x2)[(arcsin(x))2]=211x21x2+x[(arcsin(x))2](1-x^2)\left[ (\arcsin(x))^2 \right]'' = 2 \dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}}\sqrt{1-x^2} + x \left[ (\arcsin(x))^2 \right]'
Ce qui nous permet d'écrire que :
(1x2)[(arcsin(x))2]=2+x[(arcsin(x))2](1-x^2)\left[ (\arcsin(x))^2 \right]'' = 2 + x \left[ (\arcsin(x))^2 \right]'
Ainsi, on obtient l'équation suivante :
(1x2)[(arcsin(x))2]x[(arcsin(x))2]=2(1-x^2)\left[ (\arcsin(x))^2 \right]'' - x \left[ (\arcsin(x))^2 \right]' = 2
Finalement, en posant f(x)=(arcsin(x))2f(x) = (\arcsin(x))^2, on obtient l'expression de l'équation différentielle étudiée initialement :
(1x2)f(x)xf(x)=2(1-x^2)f''(x) - x f'(x) = 2
Donc f(x)=(arcsin(x))2f(x) = (\arcsin(x))^2 est solution de l’eˊquation diffeˊrentielle eˊtudieˊe\textbf{est solution de l'équation différentielle étudiée}. On peut alors écrire que, x]1;1[\forall x \in ]-1\,;\,1[, on a :
(arcsin(x))2=p=1+22p1[(p1)!]2(2p)!x2p(\arcsin(x))^2 = \sum_{p=1}^{+\infty} \dfrac{2^{2p-1} \left[ (p-1)! \right]^2}{(2p)!} x^{2p}

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