Notes de cours. Equations différentielles PC, Lycée Dupuy de Lôme

Documents pareils
Equations différentielles linéaires à coefficients constants

CHAPITRE V SYSTEMES DIFFERENTIELS LINEAIRES A COEFFICIENTS CONSTANTS DU PREMIER ORDRE. EQUATIONS DIFFERENTIELLES.

Exercices - Fonctions de plusieurs variables : corrigé. Pour commencer

Problème 1 : applications du plan affine

Fonctions de plusieurs variables. Sébastien Tordeux

Introduction. aux équations différentielles. et aux dérivées partielles

FONCTIONS DE PLUSIEURS VARIABLES (Outils Mathématiques 4)

Limites finies en un point

Exercices - Polynômes : corrigé. Opérations sur les polynômes

Pour l épreuve d algèbre, les calculatrices sont interdites.

Une forme générale de la conjecture abc

3 Approximation de solutions d équations

Cours de mathématiques

Cours d Analyse. Fonctions de plusieurs variables

Chapitre VI Fonctions de plusieurs variables

Les travaux doivent être remis sous forme papier.

Chapitre 2 Le problème de l unicité des solutions

Capes Première épreuve

Fonctions de plusieurs variables

Les équations différentielles

Notes du cours MTH1101 Calcul I Partie II: fonctions de plusieurs variables

ÉVALUATION FORMATIVE. On considère le circuit électrique RC représenté ci-dessous où R et C sont des constantes strictement positives.

Calcul Différentiel. I Fonctions différentiables 3

Notes du cours MTH1101N Calcul I Partie II: fonctions de plusieurs variables

Exercices et corrigés Mathématique générale Version β

Calcul différentiel sur R n Première partie

8.1 Généralités sur les fonctions de plusieurs variables réelles. f : R 2 R (x, y) 1 x 2 y 2

Fonctions de plusieurs variables et applications pour l ingénieur

Fonctions de plusieurs variables, intégrales multiples, et intégrales dépendant d un paramètre

NOMBRES COMPLEXES. Exercice 1 :

Comparaison de fonctions Développements limités. Chapitre 10

Image d un intervalle par une fonction continue

DOCM Solutions officielles = n 2 10.

Extrait du poly de Stage de Grésillon 1, août 2010

Fonctions de deux variables. Mai 2011

F411 - Courbes Paramétrées, Polaires

Résolution d équations non linéaires

Oscillations libres des systèmes à deux degrés de liberté

aux différences est appelé équation aux différences d ordre n en forme normale.

Equations Différentielles

Polynômes à plusieurs variables. Résultant

Développements limités. Notion de développement limité

MATHEMATIQUES APPLIQUEES Equations aux dérivées partielles Cours et exercices corrigés

RO04/TI07 - Optimisation non-linéaire

C1 : Fonctions de plusieurs variables

Calcul intégral élémentaire en plusieurs variables

Licence de Mathématiques 3

Markov processes and applications to queueing/risk/storage theory and mathematical biology

I - PUISSANCE D UN POINT PAR RAPPORT A UN CERCLE CERCLES ORTHOGONAUX POLES ET POLAIRES

La Licence Mathématiques et Economie-MASS Université de Sciences Sociales de Toulouse 1

Chapitre 1 Régime transitoire dans les systèmes physiques

Continuité d une fonction de plusieurs variables

Exo7. Limites de fonctions. 1 Théorie. 2 Calculs

I. Polynômes de Tchebychev

Fonctions de plusieurs variables

Baccalauréat S Antilles-Guyane 11 septembre 2014 Corrigé

* très facile ** facile *** difficulté moyenne **** difficile ***** très difficile I : Incontournable

6 Equations du première ordre

Introduction à l analyse numérique : exemple du cloud computing

Chapitre 6. Fonction réelle d une variable réelle

Formes quadratiques. 1 Formes quadratiques et formes polaires associées. Imen BHOURI. 1.1 Définitions

Quelques contrôle de Première S

Programme de la classe de première année MPSI

1 radian. De même, la longueur d un arc de cercle de rayon R et dont l angle au centre a pour mesure α radians est α R. R AB =R.

ce n est pas un livre auto-suffisant (il est loin d être exhaustif )!

Les devoirs en Première STMG

Calcul de développements de Puiseux et application au calcul du groupe de monodromie d'une courbe algébrique plane

Calcul fonctionnel holomorphe dans les algèbres de Banach

Cours d Analyse I et II

Exercice 1 Trouver l équation du plan tangent pour chaque surface ci-dessous, au point (x 0,y 0,z 0 ) donné :

Développements limités usuels en 0

Cours arithmétique et groupes. Licence première année, premier semestre

Amphi 3: Espaces complets - Applications linéaires continues

OM 1 Outils mathématiques : fonction de plusieurs variables

Développements limités, équivalents et calculs de limites

Introduction. Mathématiques Quantiques Discrètes

Dérivées d ordres supérieurs. Application à l étude d extrema.

IV- Equations, inéquations dans R, Systèmes d équations

CCP PSI Mathématiques 1 : un corrigé

Optimisation des fonctions de plusieurs variables

* très facile ** facile *** difficulté moyenne **** difficile ***** très difficile I : Incontournable T : pour travailler et mémoriser le cours

Chafa Azzedine - Faculté de Physique U.S.T.H.B 1

Souad EL Bernoussi. Groupe d Analyse Numérique et Optimisation Rabat http ://

Programmation linéaire

Théorème du point fixe - Théorème de l inversion locale

Moments des variables aléatoires réelles

La programmation linéaire : une introduction. Qu est-ce qu un programme linéaire? Terminologie. Écriture mathématique

3. Conditionnement P (B)

Introduction à l étude des Corps Finis

Fonctions de plusieurs variables

Mathématiques Algèbre et géométrie

Correction de l examen de la première session

Solutions particulières d une équation différentielle...

Corrigé Exercice 1 : BRIDE HYDRAULIQUE AVEC HYPOTHÈSE PROBLÈME PLAN.

Planche n o 22. Fonctions de plusieurs variables. Corrigé

Cours3. Applications continues et homéomorphismes. 1 Rappel sur les images réciproques

Systèmes asservis non linéaires

Simulation de variables aléatoires

LES MÉTHODES DE POINT INTÉRIEUR 1

Chapitre 3. Quelques fonctions usuelles. 1 Fonctions logarithme et exponentielle. 1.1 La fonction logarithme

Transcription:

Notes de cours Equations différentielles PC, Lycée Dupuy de Lôme I désigne un intervalle de R. On note K = R ou C 1 Equations différentielles linéaires d ordre 1 1.1 Généralités Définition On appelle équation différentielle linéaire d ordre 1 une équation du type : x I, a 1 (x)y (x) + a 2 (x)y(x) = b 1 (x) avec a 1, a 2, b 1 : I K continues données et y : I K une fonction C 1 l inconnue. Remarque Lorsque a 1 ne s annule pas sur I, on peut mettre l équation sous la forme : x I, y (x) + a(x)y(x) = b(x) Exemple Soit a, b : R R C. Montrer que toute solution de l équation différentielle suivante est C y (x) + a(x)y(x) = b(x) Théorème Soit a, b : I C continues. Soit (E) : x I, y (x) + a(x)y(x) = b(x) Les solutions de (E) sur I sont de la forme : y(x) = y h (x)+y 0 (x). Où y h la solution générale de l équation homogène associée, y 0 est une solution particulière. L équation homogène est (E h ) : y (x) + a(x)y(x) = 0. Ses solutions sur I sont de la forme : x I, y h (x) = Ke A(x) où A est une primitive de a sur I, et K une constante (K K). L ensemble des solutions de (E h ) sur I est donc un espace vectoriel de dimension 1. Une solution particulière sur I peut/doit être cherchée sous la forme : y 0 (x) = K(x)e A(x) où K : I R est une fonction C 1. Soit x 0 I et y 0 K. (E) possède une unique solution y sur I telle que y(x 0 ) = y 0. 1.2 Exemples Exemple Soit y l unique solution sur R de l équation différentielle : Montrer que y est impaire. y (x) xy(x) = cos(x), y(0) = 0 Exemple Soit y une solution sur ], 1[ de l équation : 2(1 x)y (x) + y(x) = sin(x 2 + x), y(0) = 0 Déterminer le développement limité à l ordre 3 de y en 0. 1

Exemple Soit z : [0, + [ C continue bornée. Soit λ C tel que Re(λ) < 0. Montrer que toute solution sur [0, + [ de cette équation différentielle est bornée : Exemple Trouver les solutions polynômiales de y (x) λy(x) = z(x) x R, xy (x) y(x) = x 2 Exemple Soit a, b C distincts. Trouver les valeurs propres de l endomorphisme de C n T défini par : T (P ) = (X 1)(X + 1)P nxp 1.3 Raccordement de solutions Exemple Déterminer les solutions sur ] 1, 1[ de xy (x) + y(x) = Montrer que la seule solution obtenue est C. 2x 1 x 4 Exemple Quelle est la dimension de l espace des solutions de l équation différentielle suivante sur R : sin(x)y (x) 2 cos 2 (x)y(x) = 0 1.4 Systèmes différentiels linéaire Définition Soit n 1. On appelle système différentiel linéaire d ordre 1 à coefficients constants, un système du type : (S) : i {1,, n}, x i(t) = n a i,j x j (t) où les x 1,, x n : I K sont des fonctions C 1 inconnues, les a 1,1,, a n,n sont nombre (réels ou complexes) Remarque En notant A la matrice (a i,j ) 1 i,j n et X(t) = t (x 1 (t),, x n (t)), le système peut se mettre sous la forme : X (t) = AX(t) Exemple (Par réduction de A) Résoudre : { x (t) = x(t) + y(t) y (t) = x(t) + 3y(t) Théorème Soit t 0 I et a 1,, a n K. (S) possède une unique solution telle que : j=1 k {1,, n}, x k (t 0 ) = a k 2 Equations différentielles linéaires d ordre 2 2.1 Généralités Définition On appelle équation différentielle linéaire d ordre 2 une équation du type : x I, a 1 (x)y (x) + a 2 (x)y (x) + a 3 y(x) = b 1 (x) avec a 1, a 2, a 3, b 1 : I K continues données et y : I K une fonction C 2 l inconnue. 2

Remarque Lorsque a 1 ne s annule pas sur I, on peut mettre l équation sous la forme : Théorème Soit a, b, c : I K continues. Soit x I, y (x) + a(x)y (x) + b(x) = c(x) (E) : x I, y (x) + a(x)y (x) + b(x)y(x) = c(x) Les solutions de (E) sur I sont de la forme : y(x) = y h (x)+y 0 (x). Où y h la solution générale de l équation homogène associée, y 0 est une solution particulière. L équation homogène est (E h ) : y (x) + a(x)y (x) + b(x)y(x) = 0. L ensemble des solutions de (E h ) sur I est un espace vectoriel de dimension 2. Soit x 0 I et y 0, y 1 K. (E) possède une unique solution y sur I telle que y(x 0 ) = y 0, y (x 0 ) = y 1. Exemple Que pensez des solutions de l équation différentielle : Exemple Résoudre sur R : y (x) + y(x) = 0, y(0) = y(π) (x 1)y (x) xy (x) + y(x) = 0 2.2 Equations différentielles linéaires d ordre 2 à coefficients constants Théorème On considère l équation différentielle linéaire homogène d ordre 2 à coefficients constants : (H) : y (x) + ay (x) + by(x) = 0 où a, b K, où y : I K est l inconnue. Si K = C. Notons (E) : z 2 + az + b = 0 l équation caractéristique de (H). Si (E) possède deux racines distinctes r 1, r 2. Les solutions de (H) sont de la forme : y(t) = ae r1t + be r2t avec a, b C Si (E) possède une racine double r. Les solutions de (H) sont de la forme : y(t) = (a + bt)e rt avec a, b C Si K = R. Notons (E) : x 2 + ax + b = 0 l équation caractéristique de (H). Si (E) possède deux racines réelles distinctes r 1, r 2. Les solutions de (H) sont de la forme : y(t) = ae r1t + be r2t Si (E) possède une racine réelle double r. Les solutions de (H) sont de la forme : y(t) = (a + bt)e rt Si (E) possède deux racines complexes conjuguées z 1 = r + iω, z 2 = r iω. Les solutions de (H) sont de la forme : Proposition On considère l équation différentielle : y(t) = e rt (a cos(ωt) + b sin(ωt)) (L) : y (t) + ay (t) + by(t) = P (t)e λt où a, b, λ K et P K[X]. Notons m la multiplicité de λ comme racine de l équation, m {0, 1, 2}. (L) possède une solution particulière de la forme : y(t) = t m Q(t)e λt où Q K[X] est un polynôme tel que deg(p ) = deq(q). y (x) + 2y (x) + y(x) = ch(x) 3

2.3 Equations différentielles linéaire d ordre 2 homogène à coefficients variables Définition On considère l équation différentielle : où a, b : I K continues. On appelle système fondamental de solutions de (H) toute couple (u, v) de fonctions formant une base de l espace vectoriel des solutions de (H). Définition On considère l équation différentielle : où a, b, c : I K continues. Soit u, v deux solutions de I, on appelle Wronskien de u et v, la fonction W définie par : W = uv u v Proposition Avec ces notations : W est solution de l équation différentielle : W + aw = 0 Les assertions suivantes sont équivalentes : (u, v) est un système fondamental de solutions de H Il existe t 0 I tel que W (t 0 ) 0 Pour tout t I, W (t) 0 Exemple Montrer que les solutions de : sont de la forme : y (t) + ty (t) + y(t) = 0 y(t) = λe t2 2 + µe t2 2 t 0 e s2 2 ds Proposition (Méthode de Lagrange) On considère l équation différentielle : où a, b, c : I K continues. On suppose connue une fonction u solution de (H) sur I ne s annulant pas. Notons z = y u, z est solution d une équation différentielle linéaire d ordre 1. Preuve... Exemple Résoudre sur R : (1 + t 2 )y (t) 2y(t) = 0 2.4 Equations différentielles linéaire d ordre 2 à coefficients variables avec second membre Proposition (Méthode de varaitions des constantes) On considère l équation différentielle : (L) : y (t) + a(t)y (t) + b(t)y(t) = c(t) où a, b, c : I K continues. Soit (u, v) un système fondamental de solutions de l équation homogène associée. (L) possède une solution particulière du type : y(t) = K 1 (t)u(t) + K 2 (t)v(t) où K 1, K 2 sont des fonctions C 1 sur I vérifiant : { K 1 (t)u(t) + K 2(t)v(t) = 0 K 1(t)u (t) + K 2(t)v (t) = c(t) Preuve... Exemple Résoudre sur ]0, + [ : y (x) + 3y (x) + 2y(x) = x 1 x 2 e x 4

2.5 Cas particuliers Exemple (Résolution par changement de variable) Résoudre sur ]0, + [ l équation : En posant x = e t. x 2 y (x) + y(x) = 0 Exemple (Résolution par série entière) Résoudre sur ]0, + [ : xy (x) + 2y (x) xy(x) = 0 En commençant par rechercher les solutions de la forme x x a f(x) avec f développable en série entière. 3 Equations différentielles non linéaires 3.1 Généralités Définition Soit U un ouvert de R 2. Soit f : U R une fonction continue. On s interesse à l équation différentielle : y (x) = f(y(x), x), Où y : I R ( l inconnue) est C 1 sur I et vérifie : x I, (x, y(x)) U Définition Une solution de cette équation est dite maximale si elle ne peut pas être prolongée en un une solution sur un intervalle plus grand. Définition On appelle courbe intégrale le graphe de toute solution maximale. Exemple L équation différentielle (y (x) = 2x(1+y 2 (x))) possède x tan(x 2 ) sur ] π 2, π 2 [ comme solution maximale. Théorème (Cauchy-Lipschitz) Soit U un ouvert de R 2. Soit f : U R une fonction C 1. L équation y (x) = f(y(x), x) et y(x 0 ) = y 0 possède une unique solution maximale avec x 0 I. y (x)y(x) = x 3.2 Exemple d étude qualitative Exemple Etudier la solution maximale de y (x) = 1 + x 2 y 2 (x), y(0) = 0. (Définition, monotonie, impparité, I borné, limites) 3.3 Equations à variables séparables Définition On appelle équation à variables séparables une équation du type : y (x) = u(y(x))v(x) y (x) = y(x)(1 + y(x)) 1 + xy (x) = e y(x), y(1) = 1 3.4 Systèmes autonomes Définition Soit f, g : U R. On appelle système autonome, un système différentiel du type : { x (t) = f(x(t), y(t)) y (t) = g(x(t), y(t)) où x, y : I R (les inconnues) sont C 1 et vérifient t I, (x(t), y(t)) U Définition On appelle courbe intégrale du système, la courbe paramétrée (x(t), y(t)), t I { x (t) = x 2 (t) + x(t)y(t) y (t) = y 2 (t) + x(t)y(t) 5