Module

Équations différentielles linéaires du second ordre à coefficients constants

Domaine
Analyse

Généralités sur les équations du second ordre

Définition Équation différentielle linéaire du second ordre

On appelle équation différentielle linéaire du second ordre à coefficients constants toute équation de la forme

\[(E)\qquad ay''(x)+by'(x)+cy(x)=d(x)\]

où \(a,b,c\) sont trois réels, \(a\) non nul et \(d\) une fonction continue sur \(I\) à valeurs dans \(\mathbb{R}\).

Résoudre \((E)\), c’est déterminer toutes les fonctions \(x\mapsto y(x)\) deux fois dérivables sur \(I\) à valeurs dans \(\mathbb{R}\) telles que l’on ait \(\forall x\in I,\ ay''(x)+by'(x)+cy(x)=d(x)\).

On appelle équation homogène associée à \((E)\) l’équation \((H)\)

\[ay''(x)+by'(x)+cy(x)=0\]

Exercice Résolution d’une équation du second ordre à second membre cosinus réservé aux comptes

Théorème Décomposition des solutions

Avec les notations de l’équation différentielle linéaire du second ordre à coefficients constants, la solution générale de \((E)\) est la somme d’une solution particulière de \((E)\) et de la solution générale de \((H)\).

Exercice Détermination d’une solution générale à partir d’une solution connue réservé aux comptes

Exercice Recherche d’une solution particulière résonante réservé aux comptes

Résolution de l’équation homogène associée

Théorème Équation caractéristique

Pour \(r\in\mathbb{C}\), la fonction \(x\mapsto e^{rx}\) est solution de \((H)\) si, et seulement si, \(ar^2+br+c=0\).

L’équation d’inconnue \(r\), \(ar^2+br+c=0\), est appelée équation caractéristique de \((H)\).

Théorème Solutions selon les racines caractéristiques

Soit \((H)\) : \(ay''(x)+by'(x)+cy(x)=0\), \(a\in\mathbb{R}^*\), \((b,c)\in\mathbb{R}^2\).

Si l’équation caractéristique \(ar^2+br+c=0\) admet dans \(\mathbb{R}\) deux racines réelles distinctes \(r_1,r_2\) (\(\Delta=b^2-4ac>0\)), alors la solution générale de \((H)\) est

\[h_g(x)=\lambda_1e^{r_1x}+\lambda_2e^{r_2x},\quad (\lambda_1,\lambda_2)\in\mathbb{R}^2\]

Si l’équation caractéristique \(ar^2+br+c=0\) admet dans \(\mathbb{R}\) une racine double \(r\) (\(\Delta=b^2-4ac=0\)), alors la solution générale de \((H)\) est

\[h_g(x)=(\gamma x+\mu)e^{rx},\quad (\gamma,\mu)\in\mathbb{R}^2\]

Si l’équation caractéristique \(ar^2+br+c=0\) admet deux racines conjuguées non réelles \(\alpha+i\beta,\alpha-i\beta\) (\(\Delta=b^2-4ac<0\)), alors la solution générale de \((H)\) est

\[h_g(x)=e^{\alpha x}\left(\lambda_1\cos(\beta x)+\lambda_2\sin(\beta x)\right),\quad (\lambda_1,\lambda_2)\in\mathbb{R}^2\]

Exercice Résolution dans deux cas de racines caractéristiques réservé aux comptes

Résolution avec second membre

Théorème Principe de superposition des solutions

Soit \((E)\) : \(ay''(x)+by'(x)+cy(x)=d_1(x)+d_2(x)\) avec \(a,b,c\) trois réels, \(a\) non nul, \(d_1,d_2\) des fonctions continues sur \(I\) à valeurs dans \(\mathbb{R}\).

On suppose que \(y_1\) est une solution de l’équation \((E_1)\) \(ay_1''(x)+by_1'(x)+cy_1(x)=d_1(x)\) et que \(y_2\) est une solution de l’équation \((E_2)\) \(ay_2''(x)+by_2'(x)+cy_2(x)=d_2(x)\).

Ainsi, \(y_1+y_2\) est une solution de \((E)\).

Exercice Résolution par superposition réservé aux comptes

Résolution avec conditions initiales

Définition Problème de Cauchy associé

Soient \(a\in\mathbb{R}^*\), \((b,c)\in\mathbb{R}^2\) et \(d\) une fonction continue sur \(I\) à valeurs dans \(\mathbb{R}\).

Soient \((x_0,y_0,y'_0)\in I\times\mathbb{R}^2\).

On appelle problème de Cauchy associé à l’équation différentielle linéaire du second ordre à coefficients constants \(ay''(x)+by'(x)+cy(x)=d(x)\) le système

\[\begin{cases}ay''(x)+by'(x)+cy(x)=d(x)\\y(x_0)=y_0\ ;\ y'(x_0)=y'_0\end{cases}\]

Théorème Unicité de la solution d’un problème de Cauchy

Soient \(a\in\mathbb{R}^*\), \((b,c)\in\mathbb{R}^2\) et \(d\) une fonction continue sur \(I\) à valeurs dans \(\mathbb{R}\).

Soient \((x_0,y_0,y'_0)\in I\times\mathbb{R}^2\).

Le problème de Cauchy

\[\begin{cases}ay''(x)+by'(x)+cy(x)=d(x)\\y(x_0)=y_0\ ;\ y'(x_0)=y'_0\end{cases}\quad\text{admet une unique solution.}\]

Exercice Résolution d’un problème de Cauchy du second ordre réservé aux comptes