ED de Riccati

Partie

Question

Soit à résoudre l'équation différentielle : \(x y' = y^2 - 3xy -1 ~~(E)\)

Déterminer une solution particulière de \((E).\)

Aide simple

Poser une \(y(x) = y_p + z(x) = 3x + 1 + z(x)\) pour résoudre \((E).\)

Aide détaillée

En portant les expressions de \(y(x)\) et \(y'(x)\) dans l'équation différentielle \((E),\) nous obtenons une équation de Bernoulli en \(z.\)

Aide à la lecture

Cette équation différentielle du 1er ordre est une équation de Riccati.

Solution simple

Vous devez obtenir l'équation de Bernoulli :

\(\boxed{\color{red}x z' - (3x + 2) z = z^2}\)

Solution détaillée

Résolution de l'équation de Riccati

Posons : \(y = 3x + 1 + z\)

d'où \(y' = 3 + z'\)

Dans l'équation \((E)\) :

\(x(3+z')=(3x+1+z)^2-3x(3x+1+z)-1\\3x+xz'=9x^2+1+z^2+6x+6xz+2z-9x^2-3x-3xz-1\\xz'=z^2+3xz+2z\)

d'où

\(\boxed{\color{red}x z' - (3x + 2) z = z^2~~ Equation de Bernoulli}\)

Question

Résoudre l'équation de Riccati .

Aide simple

Poser une \(y(x) = y_p + z(x) = 3x + 1 + z(x)\) pour résoudre \((E).\)

Aide détaillée

En portant les expressions de \(y(x)\) et \(y'(x)\) dans l'équation différentielle \((E),\) nous obtenons une équation de Bernoulli en \(z.\)

Aide à la lecture

Connaissant une solution particulière \(y_p\) de \((E),\) sous quelle forme devez-vous chercher la solution générale de \((E)\) ?

Solution simple

Vous devez obtenir l'équation de Bernoulli :

\(\boxed{\color{red}x z' - (3x + 2) z = z^2}\)

Solution détaillée

Résolution de l'équation de Riccati

Posons : \(y = 3x + 1 + z\)

d'où \(y' = 3 + z'\)

Dans l'équation \((E)\) :

\(x(3+z')=(3x+1+z)^2-3x(3x+1+z)-1\\3x+xz'=9x^2+1+z^2+6x+6xz+2z-9x^2-3x-3xz-1\\xz'=z^2+3xz+2z\)

d'où

\(\boxed{\color{red}x z' - (3x + 2) z = z^2~~ Equation de Bernoulli}\)

Question

Résoudre alors l'équation de Bernoulli obtenue : \(xz' - (3x + 2) z = z^2 .\)

Aide simple

Faire disparaître au second membre la fonction\( z(x).\)

Aide détaillée

Diviser les deux membres de l'équation par \(z^2\) et poser \(u(x) = 1/z(x) .\)

Aide à la lecture

Par changement de fonction, revenir à une équation différentielle linéaire.

Solution simple

Vous devez obtenir l'équation différentielle linéaire en \(u(x)\) :

\(\boxed{\color{red}xu' + (3x + 2) u = -1}\)

Solution détaillée

Résolution de l'équation de Bernoulli :

\(x z' - (3x + 2) z = z^2\)

Divisons les deux membres par \(z^2\) et posons comme nouvelle fonction \(u(x) = 1 / z(x),\) d'où

\(u'(x)=-z'(x)/z^2(x)\)

Cette substitution conduit à :

\(x\frac{z'}{z^2}-(3x+2)\frac1z=1\)

\(\boxed{\color{red}xu' + (3x + 2) u = -1}\)

Question

Résoudre l'équation différentielle \(xu' + (3x + 2) u = -1 .\)

Aide simple

Chercher déjà la solution générale \(u_H\) de l'équation homogène sans second membre.

Aide détaillée

Pour appliquer le théorème des équations linéaires, chercher ensuite une solution particulière \(u_p\) de l'équation avec second membre par la méthode de "variation de la constante".

Aide à la lecture

Résoudre finalement cette équation différentielle linéaire en \(u(x).\)

Solution simple

Solution générale \(u_H\) de l'équation sans second membre (ESSM) :

\(\boxed{u_H=\lambda\frac{e^{-3x}}{x^2}}\)

Solution particulière \(u_p\) de l'équation avec second membre (EASM) :

\(\boxed{u_p=(-\frac x3+\frac19)e^{3x}}\)

Solution détaillée

Recherche de la solution générale \(u_H\) de l'ESSM :

\(xu' + (3x + 2) u = 0\)

pour \(u\neq0~~\frac{u'}u=-\frac{3x+2}{x}=-3-\frac2x\)

Par intégration :

\(\ln|u|=-3x-2\ln|x|+k~~(k\in\mathbb R)\)

\(|u|=e^k\frac{e^{-3x}}{x^2}\)

\(\boxed{u_H=\lambda\frac{e^{-3x}}{x^2} avec \lambda = \pm e^k}\)

Recherche de la solution particulière \(u_p\) de l'EASM :

\(xu' + (3x + 2) u = -1\)

Méthode de "variation de la constante" :

Posons : \(u_p = \lambda(x) e^{-3x} / x^2\) d'où

\(x[\lambda'(x)\frac{e^{-3x}}{x^2}+\lambda(x)\frac{(-3)e^{-3x}}{x^2}-2\lambda(x)\frac{e^{-3x}}{x^3}]+(3x+2)\frac{\lambda(x)e^{-3x}}{x^2}=-1\)

après simplification : \(\lambda'(x) = -x e^{+3x}\)

Une intégration par parties conduit à :

\(\lambda(x)=-\frac x3e^{3x}+\frac13\int e^{3x}dx=(-\frac x3 + \frac19)e^{3x}\)

d'où

\(u_p(x)=\lambda(x)\frac{e^{-3x}}{x^2}=\frac1{x^2}(-\frac x3+\frac19)=-\frac1{3x}+\frac1{9x^2}\)

Solution générale \(u(x)\) de l'équation différentielle linéaire :

\(u(x)=u_H+u_p=\frac{\lambda e^{-3x}}{x^2}-\frac1{3x}+\frac1{9x}\)

\(\boxed{u(x)=\frac{Ke^{-3x}-3x+1}{9x^2}~~(K=3\lambda\in\mathbb R)}\)

Question

Donner la solution de l'équation différentielle de Riccati.

Aide simple

A l'aide de \(u(x)\) exprimer la solution \(z(x)\) de l'équation différentielle de Bernoulli.

Aide détaillée

Connaissant \(z(x)\) et la solution particulière \(y_p,\) remonter à \(y(x).\)

Aide à la lecture

Il faut remonter à la fonction \(y(x).\)

Solution simple

Solution de l'équation de Bernoulli :

\(\boxed{z(x)=\frac{9x^2}{Ke^{-3x}-3x+1}}\)

Solution de l'équation de Riccati :

\(\boxed{z(x)=\frac{9x^2}{Ke^{-3x}-3x+1} + 3x+1}\)

Solution détaillée

Connaissant la solution générale \(u(x)\) de l'équation différentielle linéaire, nous en déduisons la solution de l'équation de Bernoulli

\(z(x)=\frac1{u(x)}=\frac{9x^2}{Ke^{-3x}-3x+1}\)

A partir de \(z(x)\) et de la solution particulière \(y_p\) de l'équation différentielle de Riccati, nous avons la solution finale :

\(\boxed{y(x)=z(x)+y_1=\frac{9x^2}{Ke^{-3x}-3x+1} + 3x+1}\)