Retour

equ2_008.tex

Télécharger le fichier
\exo{Le second membre est un polynôme}
 
On considère l'équation différentielle~:
$$
   y'' - 2y' + 3y = 3x^2 - 1.
\leqno
   (E)
$$
 
\itemnum Résoudre l'équation sans second membre
$$
   y'' - 2y' + 3y = 0.
\leqno
   (E_0)
$$
 
\itemnum Chercher une solution particulière de $(E)$ sous la forme
$$
   y = ax^2 + bx + c.
$$
 
\itemnum En déduire la solution générale de $(E)$.
 
\itemnum Déterminer, parmi toutes les solutions de $(E)$, la fonction
$f$ dont la courbe $({\cal C})$ est tangente à l'axe $Ox$ en
l'origine~$O$.
 
\finexo
 
\corrige{}
 
\itemnum L'équation caractéristique associée à $(E_0)$ est
$$
   r^2 - 2 r + 3 = 0.
$$
Le discriminant $\Delta = -8 = (2i\sqrt2)^2$ étant négatif, la
résolution dans $\cset$ de cette dernière équation donne les deux
racines complexes conjuguées $r = 1 \pm i \sqrt2$.
On en déduit, d'après le cours, que l'ensemble des solutions de
l'équation différentielle $(E_0)$ est constitué de toutes les
fonctions $y$ pouvant s'écrire sous la forme
$$
   \dresultat{y (x) = e^x (A \cos (\sqrt2 x) + B \sin (\sqrt2 x)),}
$$
où $A$ et $B$ sont des réels quelconques.
 
\itemnum Si $y (x) = ax^2 + bx + c$ avec $a$, $b$ et $c$ réels, alors
$y' (x) = 2ax + b$ et $y'' (x) = 2a$. On en déduit qu'alors, si $y$
est une solution de $(E)$,
$$\eqalign{
   y'' - 2y' + 3y &= 3a x^2 + (3b - 4a) x + (3c - 2b + 2a)
\cr
      &= 3x^2 - 1
}$$
Par identification des coefficients, il vient alors
$$
   \cases{
      a = 1
   \cr
      3b - 4a = 0
   \cr
      3c - 2b + 2a = -1
   \cr}
      \qquad {\rm d'où} \qquad
   (a, b, c) = \Big( 1, {4\over3}, -{1\over9} \Big)
$$
La solution particulière de $(E)$ cherchée est donc \dresultat{y = x^2
+ {4\over3} x -{1\over9}}.
 
\itemnum Pour avoir la solution générale de $(E)$, il suffit
d'additionner une solution particulière de $(E)$ à la solution
générale de $(E_0)$, ce qui donne toutes les fonctions s'écrivant
$$
    \dresultat{y (x) = x^2 + {4\over3} x -{1\over9} + e^x (A \cos (\sqrt2
    x) + B \sin (\sqrt2 x))}
$$
avec $A$ et $B$ réels quelconques.
 
\itemnum Si $f$ est une solution de $(E)$, alors elle peut s'écrire
sous la forme ci-dessus pour une certaine valeur des réels $A$ et
$B$. Si de plus sa courbe $\cal C$ passe par l'origine $O (0, 0)$,
alors $f (0) = 0$. Et si $\cal C$ est tangente à l'axe $Ox$ en $O$,
alors $f' (0) = 0$.
 
\item{} De $f (0) = 0$, on en déduit $A = 1/9$, et de $f' (0) = 0$, on
déduit que $B = -13 / 9\sqrt2$ puisque
$$
   f' (x) = 2x + {4 \over 3} + e^x ((A + B\sqrt2) \cos \sqrt2 x + (B -
   A\sqrt2) \sin \sqrt2 x)
$$
La fonction $f$ cherchée est donc définie par
$$
   \dresultat{f (x) =  x^2 + {4\over3} x -{1\over9} + e^x\left(
    {1\over9} \cos (\sqrt2  x) - {13 \over 9\sqrt2} \sin (\sqrt2 x)
    \right)} 
$$
 
\fincorrige