Les équations différentielles

Sujet Type bac : Mise à jour d'un sujet donné en 2007 - Exercice 1

20 min
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On considère l’équation différentielle (E):y2y=cos(x)\left(E\right) : y' -2y =\cos \left(x\right)
Question 1

Soient aa et bb deux réels, et f0f_0 la fonction définie sur R\mathbb{R} par f0(x)=acos(x) +bsin(x) f_0\left(x\right)\mathrm{=}a{\mathrm{cos} \left(x\right)\ }+b{\mathrm{sin} \left(x\right)\ }. Déterminer aa et bb pour que f0f_0 soit solution de l'équation (E)\left(E\right).

Correction
f0f_0 est dérivable sur R\mathbb{R} .
Comme f0(x)=acos(x) +bsin(x) f_0\left(x\right)\mathrm{=}a{\mathrm{cos} \left(x\right)\ }+b{\mathrm{sin} \left(x\right)\ } alors f0(x)=asin(x) +bcos(x) f^{'}_{0}\left(x\right)\mathrm{=}-a{\mathrm{sin} \left(x\right)\ }+b{\mathrm{cos} \left(x\right)\ }
f0f_0 est solution de (E)\left(E\right) si et seulement si :
f0(x)2f0(x)=cos(x)f^{'}_{0}\left(x\right) -2f_0\left(x\right) =\cos \left(x\right)
asin(x) +bcos(x) 2(acos(x) +bsin(x) )=cos(x)-a{\mathrm{sin} \left(x\right)\ }+b{\mathrm{cos} \left(x\right)\ } -2\left(a{\mathrm{cos} \left(x\right)\ }+b{\mathrm{sin} \left(x\right)\ }\right) =\cos \left(x\right)
asin(x) +b cos(x)2acos(x) 2bsin (x) =cos(x)  -a{\mathrm{sin} \left(x\right)\ }+b\ cos\left(x\right)-2a{\mathrm{cos} \left(x\right)\ }-2b{\mathrm{sin\ } \left(x\right)\ }={\mathrm{cos} \left(x\right)\ }\
(b2a)cos(x) +(a2b)sin(x) =cos(x) +0sin(x) {\color{blue}{\left(b-2a\right)}}{\mathrm{cos} \left(x\right)\ }+{\color{red}{\left(-a-2b\right)}}{\mathrm{sin} \left(x\right)\ }={\mathrm{cos} \left(x\right)\ }+{\color{red}{0}}{\mathrm{sin} \left(x\right)\ }
Par identifiant, on a :
{(b2a)=1(a2b)=0\left\{ \begin{array}{ccc}{\color{blue}{\left(b-2a\right)}} & = & {\color{blue}{1}} \\ {\color{red}{\left(-a-2b\right)}} & = & {\color{red}{0}} \end{array}\right.
{b=1+2aa2b=0\left\{ \begin{array}{ccc}b & = & 1+2a \\ -a-2b & = & 0 \end{array}\right.
{b=1+2aa2(1+2a)=0\left\{ \begin{array}{ccc}b & = & 1+2a \\ -a-2\left(1+2a\right) & = & 0 \end{array}\right.
{b=1+2aa24a=0\left\{ \begin{array}{ccc}b & = & 1+2a \\ -a-2-4a & = & 0 \end{array}\right.
{b=1+2a5a2=0\left\{ \begin{array}{ccc}b & = & 1+2a \\ -5a-2 & = & 0 \end{array}\right.
{b=1+2a5a=2\left\{ \begin{array}{ccc}b & = & 1+2a \\ -5a & = & 2 \end{array}\right.
{b=1+2aa=25\left\{ \begin{array}{ccc}b & = & 1+2a \\ a & = & \frac{2}{-5} \end{array}\right.
{b=1+2(25)a=25\left\{ \begin{array}{ccc}b & = & 1+2\left(-\frac{2}{5}\right) \\ a & = & -\frac{2}{5} \end{array}\right.
{b=145a=25\left\{ \begin{array}{ccc}b & = & 1-\frac{4}{5} \\ a & = & -\frac{2}{5} \end{array}\right.
{b=5545a=25\left\{ \begin{array}{ccc}b & = & \frac{5}{5}-\frac{4}{5} \\ a & = & -\frac{2}{5} \end{array}\right.
{b=15a=25\left\{ \begin{array}{ccc}b & = & \frac{1}{5} \\ a & = & -\frac{2}{5} \end{array}\right.
Finalement :
f0(x)=25cos(x) +15sin(x) f_0\left(x\right)\mathrm{=}-\frac{2}{5}{\mathrm{cos} \left(x\right)\ }+\frac{1}{5}{\mathrm{sin} \left(x\right)\ }
est solution de l'équation (E)\left(E\right).
Question 2

On considère l’équation différentielle (E0):y2y=0\left(E_0\right) : y' -2y =0 . Résoudre l’équation différentielle (E0)\left(E_0\right) .

Correction
Soit l’équation différentielle y=ayy'=ayaa est un réel avec a0a\ne 0, et où yy est une fonction de la variable xx définie et dérivable sur R\mathbb{R}.
  • Les solutions de cette équation sont les fonctions de la forme : f(x)=keaxf\left(x\right)=ke^{ax} kk est une constante réelle.
  • On identifie ici que : a=2a=-2 .
    Il en résulte que les solutions de l'équation sont alors : f(x)=ke2xf\left(x\right)=ke^{-2x}kk est une constante réelle.
    Finalement :
    f(x)=ke2xf\left(x\right)=ke^{-2x}
    kk est une constante réelle.
    Question 3

    Démontrer que hh est solution de (E)\left(E\right) si et seulement si hf0h-f_0 est solution de (E0)\left(E_0\right).

    Correction
    D'une part : une fonction hh est solution de (E)\left(E\right) si et seulement si h2h=cos(x) h' -2h =\cos \left(x\right) . Notons (1)(1) cette équation .
    D'autre part : d'après la question 11, nous avons déterminer f0f_0 qui est solution de l'équation (E)\left(E\right) ainsi f02f0=cos(x) f^{'}_{0} -2f_0 =\cos \left(x\right) . Notons (2)(2) cette équation .
    Par soustraction membre à membre des égalités (1)(1) et (2)(2), on obtient pour tout réel xx :
    h2h(f02f0)=cos(x)cos(x) h' -2h -\left(f^{'}_{0} -2f_0\right)=\cos \left(x\right)-\cos \left(x\right)
    h2h(f02f0)=0 h' -2h -\left(f^{'}_{0} -2f_0\right)=0
    h2hf0+2f0=0 h' -2h -f^{'}_{0} +2f_0=0
    hf02h+2f0=0 h' -f^{'}_{0} -2h+2f_0=0
    (hf0)2(hf0)=0 \left(h-f_0\right)' -2\left(h-f_0\right)=0
    Il en résulte donc que hf0h-f_0 est solution de l'équation (E0):y2y=0\left(E_0\right) : y' -2y =0 .
    Ainsi nous venons de montrer que hh est solution de (E)\left(E\right) si et seulement si hf0h-f_0 est solution de (E0)\left(E_0\right).
    Question 4

    En déduire les solutions de (E)\left(E\right).

    Correction
    D'après la question 22, nous avons montrer que
    f(x)=ke2xf\left(x\right)=ke^{-2x}
    kk est une constante réelle est une solution de (E0):y2y=0\left(E_0\right) : y' -2y =0
    De plus, d'après la question 33, nous avons également montrer que hh est solution de (E)\left(E\right) si et seulement si hf0h-f_0 est solution de (E0)\left(E_0\right)
    Autrement dit :
    h(x)f0(x)=ke2xh\left(x\right)-f_0\left(x\right)=ke^{-2x}kk est une constante réelle.
    Ce qui nous permet d'écrire :
    h(x)=ke2x+f0(x)h\left(x\right)=ke^{-2x}+f_0\left(x\right)
    h(x)=ke2x25cos(x) +15sin(x) h\left(x\right)=ke^{-2x}-\frac{2}{5}{\mathrm{cos} \left(x\right)\ }+\frac{1}{5}{\mathrm{sin} \left(x\right)\ }
    Les solutions de (E)\left(E\right) sont les fonctions de la forme
    h(x)=ke2x25cos(x) +15sin(x) h\left(x\right)=ke^{-2x}-\frac{2}{5}{\mathrm{cos} \left(x\right)\ }+\frac{1}{5}{\mathrm{sin} \left(x\right)\ }
    kk est une constante réelle.