Module
Équations différentielles linéaires du premier ordre à coefficients constants
- Domaine
- Analyse
- Notations
- Intervalle de définition
Généralités sur les équations du premier ordre
Définition Équation différentielle linéaire du premier ordre
On appelle équation différentielle linéaire du premier ordre à coefficients constants toute équation de la forme
avec \(a\in\mathbb{R}^*\), \(b\in\mathbb{R}\) et \(c\) est une fonction continue sur \(I\) à valeurs dans \(\mathbb{R}\).
Résoudre \((E)\), c’est déterminer toutes les fonctions \(x\mapsto y(x)\) dérivables sur \(I\) à valeurs dans \(\mathbb{R}\) telles que l’on ait \(\forall x\in I,\ ay'(x)+by(x)=c(x)\).
On appelle équation homogène associée à \((E)\) l’équation \((H)\)
Exercice Résolution d’une équation dont la dérivée est un cosinus réservé aux comptes
Théorème Décomposition des solutions
Avec les notations de l’équation différentielle linéaire du premier ordre à coefficients constants, la solution générale de \((E)\) est la somme d’une solution particulière de \((E)\) et de la solution générale de \((H)\).
Résolution de l’équation homogène associée
Théorème Équation caractéristique et solution générale
Soit \((H)\) : \(ay'(x)+by(x)=0\) avec \(a\in\mathbb{R}^*\), \(b\in\mathbb{R}\).
L’équation d’inconnue \(r\), \(ar+b=0\), est appelée équation caractéristique de \((H)\).
Exercice Résolution d’une équation dont la dérivée égale la fonction réservé aux comptes
Résolution avec second membre
Méthode Recherche d’une solution particulière
On résout d’abord \((H)\). On détermine ensuite une solution particulière de \((E)\).
Méthode Second membre constant
Cas où \(c\) est une constante : \((E)\) a pour solution particulière une fonction \(y_p\) constante.
Exercice Résolution avec second membre constant réservé aux comptes
Méthode Second membre trigonométrique
Cas où le second membre est de la forme \(c(x)=A\sin(wx)\) ou \(c(x)=A\cos(wx)\), avec \(A\in\mathbb{R}^*\), \(w\in\mathbb{R}\).
On peut trouver une solution particulière \(y_p\) de cette équation \((E)\) de la forme
Exercice Résolution avec second membre sinusoïdal réservé aux comptes
Théorème Principe de superposition des solutions
Soit \((E)\) : \(ay'(x)+by(x)=c_1(x)+c_2(x)\) avec \(a\in\mathbb{R}^*\), \(b\in\mathbb{R}\), \(c_1\) et \(c_2\) deux fonctions continues sur \(I\) à valeurs dans \(\mathbb{R}\).
On suppose que \(y_1\) est une solution de l’équation \((E_1)\) \(ay_1'(x)+by_1(x)=c_1(x)\), et que \(y_2\) est une solution de l’équation \((E_2)\) \(ay_2'(x)+by_2(x)=c_2(x)\).
Ainsi, \(y_1+y_2\) est une solution de \((E)\).
Exercice Résolution par superposition réservé aux comptes
Exercice Décomposition d’un second membre réservé aux comptes
Méthode Variation de la constante
On pose \(h\) une solution non nulle de l’équation homogène associée :
On cherche une solution particulière de \((E)\) sous la forme \(p(x)=\lambda(x)h(x)\), \(\lambda\) étant une fonction dérivable sur \(I\) à déterminer.
Soit \(\lambda\) une fonction dérivable sur \(I\) et \(p\) la fonction définie par \(p=\lambda h\).
C’est-à-dire si \(\lambda\) est une primitive de la fonction \(\frac{c}{ah}\).
Exercice Résolution par variation de la constante réservé aux comptes
Résolution avec condition initiale
Définition Problème de Cauchy associé
Soient \(a\in\mathbb{R}^*\), \(b\in\mathbb{R}\) et \(c\) une fonction continue sur \(I\) à valeurs dans \(\mathbb{R}\).
Soit \((x_0,y_0)\in I\times\mathbb{R}\).
On appelle problème de Cauchy associé à l’équation différentielle linéaire du premier ordre à coefficients constants \(ay'(x)+by(x)=c(x)\) le système
Théorème Unicité de la solution d’un problème de Cauchy
Soit \((x_0,y_0)\in I\times\mathbb{R}\).
Soient \(a\in\mathbb{R}^*\), \(b\in\mathbb{R}\) et \(c\) une fonction continue sur \(I\) à valeurs dans \(\mathbb{R}\).
Le problème de Cauchy
Exercice Résolution avec annulation imposée réservé aux comptes
Remarques Remarques
Remarque Écriture avec une racine de l’équation caractéristique
Si \(m\) est la solution de l’équation caractéristique de \((H)\), alors la solution générale de \((H)\) est donnée par