Equation différentielle linéaire à coefficients constants du second ordre

Dans ce tp , nous allons apprendre ce qu'est une équation différentielle et apprendre à en résoudre quelques unes.

Équation différentielle : définition et premiers exemples.

On appelle équation caractéristique associée à l'équation différentielle homogène $ax''+bx'+cx=0$ l'équation du second degré $ar^2+ br + c = 0$.

Donner les équations caractéristiques des équations différentielles suivantes :

  1. $y''+3y'+y=0$
  2. $-4x''+x=0$

Notons $\Delta=b^2-4ac$ le discriminent de l'équation caractéristique $ar^2+ br + c = 0$.

Résoudre

  1. $y''-3y'+y=0$
  2. $y''+y'+4y=0$
  3. $y''-2y'+y=0$
  4. $2y''-5y'+y=0$
  5. $y''+2y'+y=0$
Correction des exercices 1 et 2

Soient a, b et c trois nombres réels tels que a soit non nul et u une fonction de la variable t définie sur un intervalle I.

Les solutions sur I de l'équation différentielle $ax'' + bx' + cx = u(t)$ sont les fonctions définies sur I par : $$x(t) = x_0(t) + x_p(t)$$ où $x_0$ est la solution générale de l'équation homogène associée et $x_p$ est une solution particulière de l'équation différentielle.

Plan de résolution

  1. Résolution sur $\mathbb{R}$ de l'équation homogène $ax'' + bx' + cx = 0 $ associée .
  2. Recherche d'une solution particulière sur I à $ax'' + bx' + cx = u(t)$.
  3. Solution générale sur I de $ax'' + bx' + cx = u(t)$.

$x''+2x'-3x=e^{2t}$, $I =\mathbb{R}$

Résoudre de (on cherchera une solution particulière sous la forme $x_p(t) = A e^{2t}$)

$y''-4y=t\cos(2t)$, $I =\mathbb{R}$

Résoudre de (on cherchera une solution particulière sous la forme $y_p(t) = At cos2t$)

Déterminer la solution g de l'équation différentielle (E6) vérifiant : $g(0)=\frac{1}{2}$ et $g'(0)=0$.

Correction de l'exercice 4

Soit (E) l'équation différentielle : $4y'' + 5 y' + y = 2 e^{-2x}(7x-11)$.

  1. Résoudre l'équation sans second membre associée à (E).
  2. Vérifier que la fonction g définie par $g(x) = 2x e^{-2x}$ est une solution de (E).
  3. En déduire l'ensemble des solutions de (E).
  4. Déterminer la solution particulière f de (E) dont la courbe passe par le point $A(0 ;-1)$ et $f'(0)=0$.
Correction de l'exercice 5