Equations différentielles linéaires

Définition

Une équation différentielle linéaire du premier ordre est de la forme :

\(\color{blue}(e)~~\color{red} a(x) y'(x) + b(x) y(x) = f(x)\)

\(a,\) \(b\) et \(f\) sont des fonctions continues de la variable \(x\) sur un intervalle \(I\in\mathbb R\); \(a(x)\) et \(b(x)\) sont appelés coefficients et \(f(x)\) le second membre.

Pour tout intervalle \(I,\)\(a(x)\) ne s'annule pas, l'équation \(\color{blue}(e)\) peut être résolue (ou normalisée) en \(y'(x).\) Un problème "de raccord" des solutions est envisagé aux points en lesquels le coefficient pourrait s'annuler.

\(\color{blue}(E)~~\color{red}y'(x) + A(x) y(x) = F(x)\)

On associe à l'équation \(\color{blue}(e)\) ou \(\color{blue}(E)\) avec second membre (\(\color{red}\text {EASM}\)), l'équation \(\color{blue}(e_0)\) ou \(\color{blue}(E_0)\) sans second membre (\(\color{red}\text{ESSM}\)) dite parfois "équation homogène" associée à \(\color{blue}(e)\) ou \(\color{blue}(E)\), qualificatifs pouvant prêter à confusion avec les équations homogènes \(y' = f (y/x).\)

\(\color{blue}(e_0)~~\color{black} a(x) y'(x) + b(x) y(x) = 0\)

\(\color{blue}(E_0)~~\color{black} y'(x) + A(x) y(x) = 0\)

Théorème

La solution générale \(y\) de \(\color{blue}(E)\) est la somme de la solution générale \(\color{red}y_H\) de \(\color{blue}(E_0)\) et d'une solution particulière \(\color{red}y_p\) de \(\color{blue}(E)\)

Résolution

En effet, \(y\) solution générale de \(\color{blue}(E)\) vérifie :

\(y'(x) + A(x) y(x) = F(x)\)

de même \(\color{red}y_p\color{black},\) solution particulière de \(\color{blue}(E)\) :

\(\color{red}y_p\color{black}'(x) + A(x) \color{red}y_p\color{black}(x) = F(x)\)

Par soustraction des deux équations différentielles précédentes, nous obtenons :

\([y'(x) - \color{red}y_p\color{black}'(x)] + A(x) [y(x) - \color{red}y_p\color{black}(x)] = 0 ~~\color{blue}(E_0)\)

\([y(x) - y_p(x)]' + A(x) [y(x) - \color{red}y_p\color{black}(x)] = 0 ~~\color{blue}(E_0)\)

En posant \(y_H = y - \color{red}y_p\color{black} ,\) cette solution vérifie l'équation homogène \(\color{blue}(E_0)\) et par suite : \(y = y_H + y_p.\)

Résolution de l'équation sans second membre (ESSM)

L'équation \(\color{blue}(E_0)\) est à coefficient variable :\(y'(x) + A(x)y(x) = 0\)

L'intégrale de cette équation à variables séparables nous donne \(y_H=Ke^{-\int A(x)dx}\) avec \(K\in\mathbb R\)

Comme \(A(x)\) est continue sur \(I,\) les primitives de \(A(x)\) seront : \(G(x)=\int_{x_0}^xA(t)dt\)\(x_0\) est fixé dans \(I.\)

d'où \(\color{red}y_H = Ke ^{−G(x)} ,~ K \in\mathbb R\)

En effet, si

\(\color{red}y_H\color{black}' + A(x) y(x) = 0\)

\([y'(x) + A(x) y(x)] e^{G(x)} = 0\)

\((\color{red}y_H\color{black}(x) e^{G(x)} )' = 0\)

\(\color{red}y_H\color{black}(x) e^{G(x)} = K~~ K \in\mathbb R\)

et \(\color{red}y_H(x) = K e^{ −G(x)}~~ K \in\mathbb R\)

Exemple

Résoudre : \(y' - 2xy = 0\)

La solution est immédiate :

\(\boxed{y_H=Ke^{\int2xdx}=Ke^{x^2}~~(K\in\mathbb R)}\)

Résoudre : \(y' + e^{x^3}y = 0\)

La méthode de résolution ne conduit pas à une fonction classique car :

\(\boxed{y_H=Ke^{-G(x)} avec K\in\mathbb R et G(x)=\int_0^xe^{t^3}dt}\)

intégrale calculable par une méthode numérique.

L'équation \(\color{blue}(E_0)\) est à coefficient constant

\(y'(x) + A y(x) = 0\)

La solution est de la forme : \(\color{red}y_H=Ke^{-\int Adx}=Ke^{-Ax}~~\color{black}(K\in\mathbb R)\)

Exemple

Résoudre \(\color{blue}y' - 2y = 0\)

La résolution est immédiate et conduit à \(\color{blue}y_H = K e^{2x}~~\color{black} (K\in\mathbb R)\)

Résolution de l'équation avec second membre (EASM)

L'application du théorème, à la résolution de cette équation différentielle complète nécessite la connaissance de \(\color{red}y_H\) solution générale de \(\color{blue}(E_0)\) définie précédemment et celle de \(\color{red}y_p\) solution particulière de \(\color{blue}(E)\) qui reste à déterminer.

La recherche de \(\color{red}y_p\) sera toujours plus aisée dans le cas où \(A(x)\) est une constante car \(\color{red}y_p\) sera une fonction de même type que le second membre.

La racine est évidente à la simple vue de l'équation

Exemple

Exemples où \(A(x)\) est une fonction de \(x.\)

  • \(y' - xy = x~~\) solution : \(~~\color{red}y_p = -1\)

  • \(y' + \tan x y = 1 + x \tan x~~\) solution : \(~~\color{red}y_p = x\)

Exemples où \(A(x)\) est une constante.

  • \(y' + y = e ^{2x}~~\) solution : \(~~\color{red}y_p = e^{2x} / 3\)

  • \(y' - y = - x~~\) solution : \(~~\color{red}y_p = x + 1\)

Il est possible de prévoir la forme de la solution particulière pour un second membre donné

\(\begin{array}{|c|c|}\hline \color{red}\textrm{Forme du second membre }F(x) & \color{red}\textrm{Forme de la solution particulière }y_p\\\hline C\textrm{ constante}&C/A\textrm{ constante}\\\hline P_n(x)=a_nx^n+a_{n-1}x^{n-1}+\ldots+a_0&Q_n(x)=\alpha_nx^n+\alpha_{n-1}x^{n-1}+\ldots+\alpha_0\\\hline ae^{nx}&he^{nx}\\\hline\begin{array}{c}A\cos\omega x+B\sin\omega x\\C\cos(\omega t+\varphi_c)\\E\sin(\omega t+\varphi_s) \end{array}&\begin{array}{c}A\cos\omega x+B\sin\omega x\\C\cos(\omega t+\phi_c)\\E\sin(\omega t+\phi_s) \end{array} \\\hline\end{array}\)

Les constantes \(\alpha_ n,\) \(h,\) \(\lambda,\) \(\mu,\) \(D,\) \(F,\) \(\phi_c\) et \(\phi_ s\) figurant dans la solution particulière \(\color{red}y_p\) seront exprimées en fonction des constantes \(a_n,\) \(a,\) \(A,\) \(B,\) \(C,\) \(E,\) \(\varphi_ c\) et \(\varphi_ s\) du second membre par identification après report de \(\color{red}y_p\) dans l'équation complète \(\color{blue}(E)\).

Principe de superposition des solutions

Pour un second membre de la forme \(F(x)=\sum_{i=1}^nf_i(x)\)combinaison linéaire de plusieurs foncions \(f_i ,\) la solution particulière de l'EASM sera déterminée par \(\boxed{\color{blue}y_p=\sum_{i=1}^ny_{pi}}\)avec \(y_{pi}\) solution particulière de \((Ei) : y_{pi}'(x) + A(x) y_{pi}(x) = f _i (x)\)

Exemple

Recherche de la solution particulière de l'équation

\((E)~~ y' + y = e ^{2x} - x + \cos x \sin x\)

En dissociant le second membre, nous obtenons :

\((E_1) : y_{p1}'+y_{p1}=e^{2x}\) avec \(y_{p1}=\frac{e^{2x}}3\)

\((E_2) : y_{p2}'+y_{p2}=-x\) avec \(y_{p2}=-x+1\)

\((E_3) : y_{p3}'+y_{p3} = \cos x + \sin x\) avec \(y_{p3}=\sin x\)

d'où

\(y_p=\sum_{i=1}^3y_{pi}=\frac{e^{2x}}3-x+1+\sin x\)

Méthode "de variation de la constante" de LAGRANGE

La tradition veut que ce vocabulaire, pour le moins surprenant, soit utilisé pour rechercher, soit la solution particulière \(\color{red}y_p\) de \(\color{blue}(E)\), soit la solution générale \(\color{red}y\) de \(\color{blue}(E)\).

Cherchons la solution particulière \(\color{red}y_p\color{black}\) de l'EASM sous la forme : \(\color{red}y_p\color{black} = K(x) e^{ −G(x)}\) où la constante \(K\) de \(\color{red}y_H\color{black}\) est remplacée par une fonction de \(x.\)

La solution \(\color{red}y_p\color{black}\) vérifie l'équation différentielle complète \(\color{blue}(E)\) d'où :

\(\color{red}y_p\color{black}'(x) + A(x)\color{red}y_p\color{black}(x) = F(x)\)

\(K'(x) e ^{−G(x)} - K(x) G'(x) e ^{−G(x)} + A(x) K(x) e ^{−G(x)} = F(x)\)

après simplification sachant que \(G'(x) = A(x)\)

\(K'(x) e ^{−G(x)} = F(x) \Leftrightarrow K'(x) = F(x) e^{ −G(x)}\)

Si \(H(x)\) est une primitive du second membre par intégration : \(K(x)=\int F(x)e^{G(x)}dx=H(x)\)

d'où la solution particulière :

\(\color{red}y_p(x)\color{black} = K(x) e^{ −G(x)} =\color{red} H(x) e^{ −G(x)}\)

La solution générale de \(\color{blue}(E)\) s'écrit :

\(\color{red}y\color{black} = \color{red}y_H\color{black} + \color{red}y_p\color{black} = K e^{ −G(x)} + H(x) e^{ −G(x)}\)

Exemple

Enoncé

Résolution de l'ESSM

Résolution de l'EASM

1er cas : tension constante

2ème cas : tension sinusoïdale

Cette méthode s'applique à la recherche de la solution générale \(\color{red}y\) de l'EASM, à condition d'introduire une constante lors de l'intégration de \(K'(x).\) En effet, en posant \(y = K(x) e^{ −G(x)}\) la forme de la solution générale de \(\color{blue}(E)\), un raisonnement identique à celui utilisé pour \(\color{red}y_p\color{black}\) nous conduit à:

\(K(x)=\int F(x)e^{+G(x)}dx=H(x)+C~~(C\in\mathbb R)\)

La solution générale devenant :

\(\color{red}y\color{black} = K(x) e ^{−G(x)} = ( H(x) + C )e^{ −G(x)} = C e ^{−G(x)} + H(x) e^{ −G(x)} = \color{red}y_H\color{black} + \color{red}y_p\color{black}\)