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Équations différentielles : correction des exercices 6 et 7

Équations différentielles : correction des exercices 6 et 7

Équations différentielles homogènes du second ordre · 2e Bac Sciences Mathématiques

Ces deux exercices mettent en œuvre la méthode fondamentale de résolution des équations différentielles linéaires homogènes du second ordre à coefficients constants. Le réflexe essentiel consiste à associer à l’équation différentielle une équation caractéristique du second degré. La nature de ses racines détermine alors directement la forme de la solution générale : deux exponentielles lorsque les racines sont réelles distinctes, une expression de la forme \((\alpha x+\beta)e^{r_0x}\) lorsqu’il existe une racine double, ou une combinaison de sinus et de cosinus lorsque les racines sont complexes conjuguées. Dans l’exercice 7, une seconde étape intervient : les deux conditions initiales permettent de déterminer les deux constantes de la solution générale et donc d’obtenir l’unique solution demandée.

Repère de cours — Équation différentielle du second ordre

On considère une équation différentielle de la forme :

\[ Ay''+By'+Cy=0, \qquad A\neq0. \]

On lui associe l’équation caractéristique :

\[ Ar^2+Br+C=0. \]

La forme de la solution générale dépend alors du discriminant \(\Delta=B^2-4AC\).

Si \(\Delta>0\).

L’équation caractéristique possède deux racines réelles distinctes \(r_1\) et \(r_2\). La solution générale est :

\[ y(x)=\alpha e^{r_1x}+\beta e^{r_2x}, \qquad (\alpha,\beta)\in\mathbb R^2. \]
Si \(\Delta=0\).

L’équation caractéristique possède une racine double \(r_0\). La solution générale est :

\[ y(x)=(\alpha x+\beta)e^{r_0x}, \qquad (\alpha,\beta)\in\mathbb R^2. \]
Si \(\Delta<0\).

Lorsque les racines complexes conjuguées s’écrivent \(p\pm iq\), la solution générale réelle est :

\[ y(x)= e^{px} \left( \alpha\cos(qx)+\beta\sin(qx) \right), \qquad (\alpha,\beta)\in\mathbb R^2. \]
Méthode à retenir. Il faut donc construire l’équation caractéristique, déterminer la nature de ses racines, choisir la formule correspondante, puis seulement utiliser les conditions initiales lorsqu’elles sont données.

Exercice 6

Énoncé

Résoudre les équations différentielles suivantes.

Question 1

\[ y''+2y'-3y=0. \]
Afficher la correction Masquer la correction
Méthode. L’équation est homogène, linéaire, du second ordre et à coefficients constants. On commence donc par former son équation caractéristique.

L’équation caractéristique associée est :

\[ r^2+2r-3=0. \]

On factorise :

\[ r^2+2r-3=(r-1)(r+3). \]

Elle admet donc deux racines réelles distinctes :

\[ r_1=1 \qquad\text{et}\qquad r_2=-3. \]

On se trouve dans le cas de deux racines réelles distinctes. On applique donc directement la première forme du cours.

\[ \boxed{ y(x)=\alpha e^x+\beta e^{-3x}, \qquad (\alpha,\beta)\in\mathbb R^2 }. \]
Les deux racines \(1\) et \(-3\) deviennent les coefficients de \(x\) dans les deux exponentielles de la solution générale.

Question 2

\[ y''+3y'-4y=0. \]
Afficher la correction Masquer la correction
Méthode. Comme les coefficients sont constants, on traduit l’équation différentielle en une équation algébrique du second degré.

L’équation caractéristique est :

\[ r^2+3r-4=0. \]

On a :

\[ r^2+3r-4=(r-1)(r+4). \]

Ses racines sont donc :

\[ r_1=1 \qquad\text{et}\qquad r_2=-4. \]

Ces racines étant réelles et distinctes, la solution générale est une combinaison linéaire des deux exponentielles correspondantes.

\[ \boxed{ y(x)=\alpha e^x+\beta e^{-4x}, \qquad (\alpha,\beta)\in\mathbb R^2 }. \]
Les deux constantes \(\alpha\) et \(\beta\) sont indépendantes puisqu’aucune condition initiale n’est imposée.

Question 3

\[ y''-y'-2y=0. \]
Afficher la correction Masquer la correction
Méthode. On associe à \(y''\), \(y'\) et \(y\) respectivement les termes \(r^2\), \(r\) et \(1\), tout en conservant exactement leurs coefficients.

L’équation caractéristique associée est :

\[ r^2-r-2=0. \]

Elle se factorise sous la forme :

\[ r^2-r-2=(r-2)(r+1). \]

Ses deux racines réelles distinctes sont :

\[ r_1=2 \qquad\text{et}\qquad r_2=-1. \]
\[ \boxed{ y(x)=\alpha e^{2x}+\beta e^{-x}, \qquad (\alpha,\beta)\in\mathbb R^2 }. \]
La factorisation permet ici d’éviter un calcul de discriminant inutile : les deux racines apparaissent immédiatement.

Question 4

\[ y''+10y'+25y=0. \]
Afficher la correction Masquer la correction
Méthode. Il faut être attentif à la nature de la racine. Une racine double ne conduit pas à la même forme de solution qu’un couple de racines distinctes.

L’équation caractéristique est :

\[ r^2+10r+25=0. \]

Or :

\[ r^2+10r+25=(r+5)^2. \]

L’équation caractéristique admet donc la racine double :

\[ r_0=-5. \]

On applique alors la forme spécifique correspondant à une racine double : le facteur exponentiel doit être multiplié par une fonction affine.

\[ \boxed{ y(x)=(\alpha x+\beta)e^{-5x}, \qquad (\alpha,\beta)\in\mathbb R^2 }. \]
Piège à éviter. Pour une racine double \(r_0\), on ne doit pas écrire deux fois \(e^{r_0x}\). La forme correcte est \((\alpha x+\beta)e^{r_0x}\).

Question 5

\[ y''+6y'+\frac52y=0. \]
Afficher la correction Masquer la correction
Méthode. La factorisation n’étant pas immédiate, on calcule le discriminant de l’équation caractéristique afin de déterminer la nature de ses racines.

L’équation caractéristique associée est :

\[ r^2+6r+\frac52=0. \]

Son discriminant vaut :

\[ \Delta = 6^2-4\times1\times\frac52 = 36-10 = 26>0. \]

Comme \(\Delta>0\), l’équation caractéristique possède deux racines réelles distinctes.

\[ r_1=\frac{-6+\sqrt{26}}2 = -3+\frac{\sqrt{26}}2, \] \[ r_2=\frac{-6-\sqrt{26}}2 = -3-\frac{\sqrt{26}}2. \]
\[ \boxed{ y(x)= \alpha e^{\left(-3+\frac{\sqrt{26}}2\right)x} + \beta e^{\left(-3-\frac{\sqrt{26}}2\right)x}, \quad (\alpha,\beta)\in\mathbb R^2 }. \]
Le signe positif du discriminant suffit à identifier la forme générale : deux racines distinctes donnent deux termes exponentiels indépendants.

Question 6

\[ y''-\sqrt3\,y'+\frac34y=0. \]
Afficher la correction Masquer la correction
Méthode. La présence de \(\sqrt3\) ne change pas la méthode. On calcule le discriminant exactement comme pour toute équation du second degré.

L’équation caractéristique est :

\[ r^2-\sqrt3\,r+\frac34=0. \]

Son discriminant est :

\[ \Delta = (-\sqrt3)^2 -4\times1\times\frac34 = 3-3 = 0. \]

Le discriminant étant nul, l’équation caractéristique possède une racine double.

\[ r_0=\frac{\sqrt3}{2}. \]
\[ \boxed{ y(x)= (\alpha x+\beta)e^{\frac{\sqrt3}{2}x}, \qquad (\alpha,\beta)\in\mathbb R^2 }. \]
Le facteur \(\alpha x+\beta\) est précisément celui qui caractérise le cas d’une racine double.

Question 7

\[ 2y''-2\sqrt3\,y'=0. \]
Afficher la correction Masquer la correction
Méthode. Le terme en \(y\) est absent, mais l’équation reste du second ordre. L’équation caractéristique se factorise immédiatement par \(r\).

L’équation caractéristique associée est :

\[ 2r^2-2\sqrt3\,r=0. \]

On factorise :

\[ 2r(r-\sqrt3)=0. \]

Les racines sont :

\[ r_1=0 \qquad\text{et}\qquad r_2=\sqrt3. \]

Il s’agit de deux racines réelles distinctes. La racine \(0\) donne le terme \(e^{0x}=1\).

\[ \boxed{ y(x)=\alpha+\beta e^{\sqrt3x}, \qquad (\alpha,\beta)\in\mathbb R^2 }. \]
Le terme constant \(\alpha\) provient donc directement de la racine caractéristique \(r=0\).

Question 8

\[ 4y''+25y=0. \]
Afficher la correction Masquer la correction
Méthode. Ici, l’équation caractéristique ne possède aucune racine réelle. Il faut donc utiliser le troisième cas du cours, celui des racines complexes conjuguées.

L’équation caractéristique est :

\[ 4r^2+25=0. \]

Elle équivaut à :

\[ r^2=-\frac{25}{4}. \]

Ses deux racines complexes conjuguées sont :

\[ r_1=\frac52i \qquad\text{et}\qquad r_2=-\frac52i. \]

Leur partie réelle est nulle et leur partie imaginaire a pour valeur absolue \(\dfrac52\). La forme réelle des solutions fait donc intervenir \(\cos\left(\dfrac52x\right)\) et \(\sin\left(\dfrac52x\right)\).

\[ \boxed{ y(x)= \alpha\cos\left(\frac52x\right) + \beta\sin\left(\frac52x\right), \quad (\alpha,\beta)\in\mathbb R^2 }. \]
Lorsque les racines sont purement imaginaires, aucun facteur exponentiel \(e^{px}\) n’apparaît puisque leur partie réelle \(p\) est nulle.

Question 9

\[ 5y''-4y=0. \]
Afficher la correction Masquer la correction
Méthode. L’absence de terme en \(y'\) conduit à une équation caractéristique très simple. Il suffit d’isoler \(r^2\) puis de prendre les deux racines opposées.

L’équation caractéristique associée est :

\[ 5r^2-4=0. \]

On obtient :

\[ r^2=\frac45. \]

Les deux racines réelles distinctes sont :

\[ r_1=\frac{2}{\sqrt5} =\frac{2\sqrt5}{5}, \qquad r_2=-\frac{2}{\sqrt5} =-\frac{2\sqrt5}{5}. \]
\[ \boxed{ y(x)= \alpha e^{\frac{2\sqrt5}{5}x} + \beta e^{-\frac{2\sqrt5}{5}x}, \quad (\alpha,\beta)\in\mathbb R^2 }. \]
Les racines sont opposées, ce qui explique la présence de deux exponentielles dont les exposants sont également opposés.

Question 10

\[ -2y''-\sqrt3\,y'+y=0. \]
Afficher la correction Masquer la correction
Méthode. Multiplier toute l’équation par \(-1\) ne change pas son ensemble de solutions et permet ici de travailler avec un coefficient positif devant \(y''\).

En multipliant l’équation par \(-1\), on obtient :

\[ 2y''+\sqrt3\,y'-y=0. \]

L’équation caractéristique est donc :

\[ 2r^2+\sqrt3\,r-1=0. \]

Son discriminant vaut :

\[ \Delta = (\sqrt3)^2-4\times2\times(-1) = 3+8 = 11. \]

Comme \(\Delta>0\), l’équation caractéristique possède deux racines réelles distinctes :

\[ r_1=\frac{-\sqrt3+\sqrt{11}}4, \qquad r_2=\frac{-\sqrt3-\sqrt{11}}4. \]
\[ \boxed{ y(x)= \alpha e^{\frac{\sqrt{11}-\sqrt3}{4}x} + \beta e^{-\frac{\sqrt{11}+\sqrt3}{4}x}, \quad (\alpha,\beta)\in\mathbb R^2 }. \]
Le changement de signe initial simplifie seulement la présentation : l’équation obtenue est équivalente à l’équation donnée et possède exactement les mêmes solutions.

Exercice 7

Énoncé

Déterminer la solution \(y\) de l’équation différentielle \((E)\) qui vérifie les conditions initiales données pour chacun des cas suivants.

Méthode — Exploiter deux conditions initiales

Une équation différentielle homogène du second ordre fournit en général une solution dépendant de deux constantes \(\alpha\) et \(\beta\). Les deux conditions initiales permettent précisément de déterminer ces deux constantes.

La démarche est donc : déterminer d’abord la solution générale, calculer \(y'\), remplacer ensuite \(x\) par la valeur imposée dans \(y\) et \(y'\), puis résoudre le système obtenu.

Lorsque les conditions sont données en un point \(x_0\neq0\), une écriture décalée en fonction de \(x-x_0\) peut simplifier fortement les calculs.

Question 1

\[ (E):\ 2y''-3y'-2y=0, \qquad y(0)=1 \quad\text{et}\quad y'(0)=1. \]
Afficher la correction Masquer la correction
Méthode. On résout d’abord l’équation différentielle sans utiliser les conditions initiales. Une fois la solution générale obtenue, on la dérive et les deux conditions en \(0\) fourniront un système en \(\alpha\) et \(\beta\).

L’équation caractéristique est :

\[ 2r^2-3r-2=0. \]

On factorise :

\[ 2r^2-3r-2=(2r+1)(r-2). \]

Ses racines sont \(2\) et \(-\dfrac12\). Elles sont réelles et distinctes, donc la solution générale est :

\[ y(x)=\alpha e^{2x}+\beta e^{-\frac{x}{2}}. \]

Pour utiliser la deuxième condition initiale, il faut maintenant calculer la dérivée.

\[ y'(x) = 2\alpha e^{2x} -\frac12\beta e^{-\frac{x}{2}}. \]

Les conditions initiales donnent :

\[ \left\{ \begin{aligned} \alpha+\beta&=1,\\ 2\alpha-\frac12\beta&=1. \end{aligned} \right. \]

Ce système détermine les deux constantes de la solution générale.

\[ \alpha=\frac35 \qquad\text{et}\qquad \beta=\frac25. \]
\[ \boxed{ y(x)=\frac35e^{2x}+\frac25e^{-\frac{x}{2}} }. \]
Contrôle des conditions initiales. \[ y(0)=\frac35+\frac25=1, \] \[ y'(0)=\frac65-\frac15=1. \]
Les deux valeurs initiales ont fixé exactement les deux constantes \(\alpha\) et \(\beta\), ce qui conduit à une seule solution.

Question 2

\[ (E):\ 2y''+3y'+y=0, \qquad y(0)=-1 \quad\text{et}\quad y'(0)=2. \]
Afficher la correction Masquer la correction
Méthode. On suit exactement la même chaîne : équation caractéristique, solution générale, dérivée, puis système obtenu à partir des deux conditions initiales.

L’équation caractéristique est :

\[ 2r^2+3r+1=0. \]

Elle se factorise :

\[ 2r^2+3r+1=(2r+1)(r+1). \]

Ses racines sont \(-\dfrac12\) et \(-1\). Ainsi :

\[ y(x)= \alpha e^{-\frac{x}{2}} + \beta e^{-x}. \]

On a :

\[ y'(x) = -\frac12\alpha e^{-\frac{x}{2}} - \beta e^{-x}. \]

Les conditions initiales donnent le système :

\[ \left\{ \begin{aligned} \alpha+\beta&=-1,\\ -\frac12\alpha-\beta&=2. \end{aligned} \right. \]

On en déduit :

\[ \alpha=2 \qquad\text{et}\qquad \beta=-3. \]
\[ \boxed{ y(x)=2e^{-\frac{x}{2}}-3e^{-x} }. \]
Contrôle. \[ y(0)=2-3=-1, \] \[ y'(0)=-1+3=2. \]
La vérification confirme que la fonction obtenue satisfait simultanément l’équation différentielle et les deux données initiales.

Question 3

\[ (E):\ y''-6y'+9y=0, \qquad y(-1)=1 \quad\text{et}\quad y'(-1)=3. \]
Afficher la correction Masquer la correction
Méthode. L’équation caractéristique possède ici une racine double. De plus, les conditions sont imposées en \(x_0=-1\). Une écriture décalée en \(x+1\) permet de les exploiter plus directement.

L’équation caractéristique est :

\[ r^2-6r+9=0. \]

Or :

\[ r^2-6r+9=(r-3)^2. \]

Elle admet la racine double \(r_0=3\). Pour appliquer facilement les conditions en \(x_0=-1\), on écrit la solution générale sous la forme décalée :

\[ y(x)= \bigl(\alpha(x+1)+\beta\bigr)e^{3(x+1)}. \]

Sa dérivée est :

\[ y'(x) = \Bigl[ \alpha + 3\bigl(\alpha(x+1)+\beta\bigr) \Bigr] e^{3(x+1)}. \]

Pour \(x=-1\), le facteur \(x+1\) s’annule et l’exponentielle vaut \(1\). La première condition donne donc :

\[ y(-1)=\beta=1. \]

La seconde donne :

\[ y'(-1)=\alpha+3\beta=3. \]

Comme \(\beta=1\), on obtient \(\alpha=0\).

\[ \boxed{ y(x)=e^{3(x+1)} }. \]
Contrôle. \[ y(-1)=e^0=1, \qquad y'(-1)=3e^0=3. \]
Le décalage \(x+1=x-(-1)\) a permis de simplifier fortement l’utilisation des deux conditions initiales sans modifier la famille des solutions.

Question 4

\[ (E):\ y''+\pi^2y=0, \qquad y(1)=1 \quad\text{et}\quad y'(1)=-1. \]
Afficher la correction Masquer la correction
Méthode. Les racines de l’équation caractéristique sont complexes conjuguées. La solution générale s’écrit donc avec sinus et cosinus. Comme les conditions sont données en \(x_0=1\), l’écriture en \(x-1\) rend leur application immédiate.

L’équation caractéristique est :

\[ r^2+\pi^2=0. \]

Ses racines sont \(i\pi\) et \(-i\pi\). Pour utiliser directement les conditions en \(x_0=1\), on écrit :

\[ y(x)= \alpha\cos\bigl(\pi(x-1)\bigr) + \beta\sin\bigl(\pi(x-1)\bigr). \]

Alors :

\[ y'(x)= -\alpha\pi\sin\bigl(\pi(x-1)\bigr) + \beta\pi\cos\bigl(\pi(x-1)\bigr). \]

À \(x=1\), l’angle \(\pi(x-1)\) vaut \(0\). On utilise donc \(\cos0=1\) et \(\sin0=0\).

\[ y(1)=\alpha=1. \]

Et :

\[ y'(1)=\beta\pi=-1, \]

d’où :

\[ \beta=-\frac1\pi. \]
\[ \boxed{ y(x)= \cos\bigl(\pi(x-1)\bigr) - \frac1\pi \sin\bigl(\pi(x-1)\bigr) }. \]
Forme équivalente.

En utilisant les formules de décalage de \(\pi\), on peut aussi écrire :

\[ y(x) = -\cos(\pi x) + \frac1\pi\sin(\pi x). \]
L’écriture décalée est particulièrement efficace ici, car les deux fonctions trigonométriques prennent des valeurs simples au point initial \(x=1\).

Question 5

\[ (E):\ y''-16y=0, \qquad y(0)=1 \quad\text{et}\quad y'(0)=-1. \]
Afficher la correction Masquer la correction
Méthode. Les deux racines caractéristiques sont réelles et opposées. Après avoir écrit la solution générale, les conditions en \(0\) donnent un système particulièrement simple puisque \(e^0=1\).

L’équation caractéristique associée est :

\[ r^2-16=0. \]

On factorise :

\[ r^2-16=(r-4)(r+4). \]

Les racines sont \(4\) et \(-4\). La solution générale est :

\[ y(x)=\alpha e^{4x}+\beta e^{-4x}. \]

Sa dérivée est :

\[ y'(x)=4\alpha e^{4x}-4\beta e^{-4x}. \]

Les conditions initiales donnent :

\[ \left\{ \begin{aligned} \alpha+\beta&=1,\\ 4\alpha-4\beta&=-1. \end{aligned} \right. \]

La seconde égalité équivaut à :

\[ \alpha-\beta=-\frac14. \]

On en déduit :

\[ \alpha=\frac38 \qquad\text{et}\qquad \beta=\frac58. \]
\[ \boxed{ y(x)=\frac38e^{4x}+\frac58e^{-4x} }. \]
Contrôle. \[ y(0)=\frac38+\frac58=1, \] \[ y'(0) = 4\times\frac38 - 4\times\frac58 = -1. \]
Comme dans les premières questions de l’exercice, deux conditions initiales déterminent exactement les deux constantes de la solution générale.
À retenir.

Pour une équation différentielle homogène du second ordre à coefficients constants, la première étape est toujours de construire l’équation caractéristique. La nature de ses racines décide ensuite de la forme de la solution générale : deux exponentielles pour deux racines réelles distinctes, une expression \((\alpha x+\beta)e^{r_0x}\) pour une racine double, ou une combinaison de sinus et de cosinus lorsque les racines sont complexes conjuguées.

Lorsqu’on impose deux conditions initiales, on ne les utilise qu’après avoir déterminé la solution générale. On calcule alors \(y'\), puis les deux conditions fournissent deux équations permettant de déterminer \(\alpha\) et \(\beta\). Si les données sont imposées en \(x_0\neq0\), une écriture en fonction de \(x-x_0\) peut rendre les calculs beaucoup plus directs.

Le schéma à retenir est donc : équation différentielle → équation caractéristique → nature des racines → solution générale → dérivée → conditions initiales → détermination des constantes → contrôle.

Correction rédigée par Professeur Hammou Boudraa — Parcours Maths Maroc (PMM)
Lycée Oum Erbiaâ — M’rirt

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