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Commit e599c3e6 authored by orestis.malaspin's avatar orestis.malaspin
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...@@ -1011,7 +1011,7 @@ considérer pour commencer des systèmes qui évoluent dans le temps ...@@ -1011,7 +1011,7 @@ considérer pour commencer des systèmes qui évoluent dans le temps
Imaginons que nous connaissons la fonction décrivant le vitesse d’une Imaginons que nous connaissons la fonction décrivant le vitesse d’une
particle au cours du temps et notons la $v(t)$. Nous savons également particle au cours du temps et notons la $v(t)$. Nous savons également
que la vitesse d’une particule est relié à l’évolution au cours du temps que la vitesse d’une particule est reliée à l’évolution au cours du temps
de sa position. Cette dernière peut être notée, $x(t)$. En particulier, de sa position. Cette dernière peut être notée, $x(t)$. En particulier,
nous avons que la vitesse n’est rien d’autre que la dérivée de la nous avons que la vitesse n’est rien d’autre que la dérivée de la
position. On peut onc écrire une équation reliant la vitesse à la position. On peut onc écrire une équation reliant la vitesse à la
...@@ -1020,21 +1020,21 @@ différentielle*, car elle fait intervernir non seulement les fonctions ...@@ -1020,21 +1020,21 @@ différentielle*, car elle fait intervernir non seulement les fonctions
$x(t)$ et $v(t)$, mais également la dérivée de la fonction $x(t)$. Si $x(t)$ et $v(t)$, mais également la dérivée de la fonction $x(t)$. Si
maintenant nous précisons ce que vaut la fonction $v(t)$ nous pourrons maintenant nous précisons ce que vaut la fonction $v(t)$ nous pourrons
résoudre cette équation. Comme le nom de la sous-section le laisse résoudre cette équation. Comme le nom de la sous-section le laisse
entendre, nous nous intéressons à un mouvement rectiligne uniforme, qui entendre, nous nous intéressons à un mouvement rectiligne uniforme, qui décrit
a la particularité de décrire le mouvement d’un objet qui se déplace à le mouvement d’un objet qui se déplace à
vitesse constante. On a donc $$v(t)=v.$$ Nous cherchons donc à résoudre vitesse constante, $$v(t)=v.$$ Nous cherchons ainsi à résoudre
l’équation différentielle $$x'(t)=v.$$ Ou en d’autres termes, nous l’équation différentielle $$x'(t)=v.$$ Ou en d’autres termes, nous
cherchons la fonction dont la dérivée donne $C$[^3]. Vous savez sans cherchons la fonction dont la dérivée donne une constante[^3]. Vous savez sans
doute que l’ensemble de fonctions satisfaisant la contrainte précédente doute que l’ensemble de fonctions satisfaisant la contrainte précédente
est $$x(t)=v\cdot t+B,$$ où $B$ est une constante arbitraire. On a donc est $$x(t)=v\cdot t+B,$$ où $B$ est une constante arbitraire. Cette solution
la solution générale de cette équation différentielle qui n’est pas générale n’est pas
unique, mais qui donne une infinité de solution (comme quand nous avons unique, car nous obtenons une infinité de solutions (comme quand nous avons
calculé la primitive d’une fonction au chapitre précédent). Afin de calculé la primitive d’une fonction au chapitre précédent). Afin de
trouver une solution unique, nous devons imposer une “condition intiale” trouver une solution unique, nous devons imposer une condtition, typiquement une “condition intiale”
à notre équation différentielle. En effet, si nous imposons la condition à notre équation différentielle. En effet, si nous imposons la condition
intiale $$x(t_0)=x_0,$$ il vient intiale $$x(t_0)=x_0,$$ il vient
$$x(t_0)=x_0=v\cdot t_0+B \Leftrightarrow B=x_0-v\cdot t_0.$$ $$x(t_0)=x_0=v\cdot t_0+B \Leftrightarrow B=x_0-v\cdot t_0.$$
Finalement, la solution de l’équation différentielle est donnée par Finalement, la solution du problème différentiel est donnée par
$$x(t)=v\cdot (t-t_0)+x_0.$$ $$x(t)=v\cdot (t-t_0)+x_0.$$
Remarque +.# Remarque +.#
...@@ -1055,25 +1055,26 @@ dérivée de la vitesse. $$\begin{aligned} ...@@ -1055,25 +1055,26 @@ dérivée de la vitesse. $$\begin{aligned}
v'(t)&=a(t),\\ v'(t)&=a(t),\\
x'(t)&=v(t).\end{aligned}$$ x'(t)&=v(t).\end{aligned}$$
Par simplicité supposons que l’accélération est constante, $a(t)=a$. On Par simplicité supposons que l’accélération est constante, $a(t)=a$, donc que le mouvement est uniformement accéléré.
doit donc résoudre[^4] $$x''(t)=a,$$ ou $$\begin{aligned} On
doit résoudre[^4] $$x''(t)=a,$$ ou $$\begin{aligned}
v'(t)&=a,\\ v'(t)&=a,\\
x'(t)&=v(t).\end{aligned}$${#eq:xpv} Commençons pas le système x'(t)&=v(t).\end{aligned}$${#eq:xpv} Pour résoudre ce système
d’équations ci-dessus. On commence par résoudre la première équation d’équations nous résolvons la première équation
pour $v(t)$ et on a $$v(t)=a\cdot t+C.$$ En substituant ce résultat dans pour $v(t)$ pour trouver $$v(t)=a\cdot t+C.$$ En substituant ce résultat dans
l’@eq:xpv, on a $$x'(t)=a\cdot t+C.$$ On peut donc l’@eq:xpv, on a $$x'(t)=a\cdot t+C.$$ On peut ainsi
directement intégrer des deux côtés comme vu dans la sous-section directement intégrer des deux côtés comme vu dans la sous-section
précédente $$\begin{aligned} précédente $$\begin{aligned}
\int x'(t){\mathrm{d}}t&=\int a\cdot t+C{\mathrm{d}}t,\nonumber\\ \int x'(t){\mathrm{d}}t&=\int a\cdot t+C{\mathrm{d}}t,\nonumber\\
x(t)&=\frac{a}{2}\cdot t^2+C\cdot t + D.\end{aligned}$$ On a donc que x(t)&=\frac{a}{2}\cdot t^2+C\cdot t + D.\end{aligned}$$ On a donc que
la position d’un objet en mouvement rectiligne uniformément accéléré est la position d’un objet en mouvement rectiligne uniformément accéléré est
donné par une parabole. Cette équation ci-dessus néanmoins a encore deux donné par une parabole. Cette équation a néanmoins encore deux
constante indéterminées. Pour les déterminer, on doit donc imposer deux constantes indéterminées. Pour les déterminer, on doit imposer deux
conditions intiales. Une possibilité est d’imposer une condition conditions intiales. Une possibilité est d’imposer une condition
initiale par équation $$v(t_0)=v_0,\mbox{ et } x(t_0)=x_0.$$ On obtient initiale par équation $$v(t_0)=v_0,\mbox{ et } x(t_0)=x_0.$$ On obtient
donc $$v(t_0)=v_0=a\cdot t_0+C \Leftrightarrow C=v_0-a\cdot t_0,$$ et $$v(t_0)=v_0=a\cdot t_0+C \Leftrightarrow C=v_0-a\cdot t_0,$$ et
$$x(t_0)=x_0=\frac{a}{2}\cdot t_0^2+D \Leftrightarrow D=x_0-\frac{a}{2}\cdot t_0^2.$$ $$x(t_0)=x_0=\frac{a}{2}\cdot t_0^2+D \Leftrightarrow D=x_0-\frac{a}{2}\cdot t_0^2.$$
Finalement la solution est donc Finalement la solution est donnée par
$$x(t)=\frac{a}{2}\cdot (t^2-t_0^2)+v_0\cdot (t-t_0)+x_0.$$ $$x(t)=\frac{a}{2}\cdot (t^2-t_0^2)+v_0\cdot (t-t_0)+x_0.$$
Remarque +.# Remarque +.#
...@@ -1081,7 +1082,7 @@ Remarque +.# ...@@ -1081,7 +1082,7 @@ Remarque +.#
La solution de l’équation différentielle peut également se calculer de La solution de l’équation différentielle peut également se calculer de
la façon suivante $$x''(t)=av,\ x(t_0)=x_0,\ v(t_0)=v_0.$$ revient à la façon suivante $$x''(t)=av,\ x(t_0)=x_0,\ v(t_0)=v_0.$$ revient à
calculer $$\begin{aligned} calculer $$\begin{aligned}
\int \int x''(t){\mathrm{d}}t{\mathrm{d}}t=\int \int a {\mathrm{d}}t{\mathrm{d}}t,\\ \int \int x''=\int \int a,\\
x(t)=\frac{a}{2}t^2+C\cdot t + D.\end{aligned}$$ x(t)=\frac{a}{2}t^2+C\cdot t + D.\end{aligned}$$
### Évolution d’une population ### Évolution d’une population
...@@ -1107,7 +1108,7 @@ $$n(t_0+7200)=(1+1/3600 \cdot 7200)\cdot n(t_0)=3\cdot 1000=3000.$$ On ...@@ -1107,7 +1108,7 @@ $$n(t_0+7200)=(1+1/3600 \cdot 7200)\cdot n(t_0)=3\cdot 1000=3000.$$ On
voit que ces deux résultats ne sont pas égaux. Effectuer deux itérations voit que ces deux résultats ne sont pas égaux. Effectuer deux itérations
de notre algorithme discret avec un pas d’itération de $\delta t$, ne de notre algorithme discret avec un pas d’itération de $\delta t$, ne
correspond pas à effectuer une seule itération avec un pas deux fois correspond pas à effectuer une seule itération avec un pas deux fois
plus grand ($2\delta t$). Néanmoins cela devrait être le cas plus plus grand ($2\delta t$). Néanmoins cela devrait être le cas pour
$\delta t\rightarrow 0$. $\delta t\rightarrow 0$.
Pour nous en convaincre faisons l’exercice suivant. Reprenons l’@eq:comp que vous pouvons réécrire comme Pour nous en convaincre faisons l’exercice suivant. Reprenons l’@eq:comp que vous pouvons réécrire comme
...@@ -1134,12 +1135,12 @@ Nous pouvons à présent résoudre l’équation différentielle ci-dessus en ...@@ -1134,12 +1135,12 @@ Nous pouvons à présent résoudre l’équation différentielle ci-dessus en
se souvenant que la fonction dont la dérivée est proportionnelle à la se souvenant que la fonction dont la dérivée est proportionnelle à la
fonction de départ est l’exponentielle. Il vient fonction de départ est l’exponentielle. Il vient
$$n(t)=C\exp(r t),$${#eq:sol_pop} où $C$ est une constante. Il est $$n(t)=C\exp(r t),$${#eq:sol_pop} où $C$ est une constante. Il est
en effet trivial de montrer que cette solution satisfait l’@eq:cont. On voit également qu’il nous manque une condition pour en effet élémentaire de montrer que cette solution satisfait l’@eq:cont. On voit également qu’il nous manque une condition pour
avoir l’unicité de la solution ci-dessus (on ne connaît toujours pas avoir l’unicité de la solution ci-dessus (on ne connaît toujours pas
$C$). La constante peut-être obtenue à l’aide d’une condition initiale $C$). La constante peut-être obtenue à l’aide d’une condition initiale
(correspondant au $n(t_0)$ de tout à l’heure). Si $n(t_0)=n_0$, on a (correspondant au $n(t_0)$ de tout à l’heure). Si $n(t_0)=n_0$, nous trouvons
pour $C$ $$n(t_0)=C\exp(r t_0)=n_0 \Leftrightarrow C=n_0\exp(-r t_0).$$ pour $C$ $$n(t_0)=C\exp(r t_0)=n_0 \Leftrightarrow C=n_0\exp(-r t_0).$$
En substituant cette relation dans l'@eq:sol_pop, on substituant cette relation dans l'@eq:sol_pop, on
obtient $$n(t)=n_0\exp(r (t-t_0)).$$ obtient $$n(t)=n_0\exp(r (t-t_0)).$$
### Autres illustrations de l’utilisation des équations différentielles ### Autres illustrations de l’utilisation des équations différentielles
...@@ -1171,8 +1172,8 @@ $k_g$. Finalement le terme $(4)$ est la reproduction des guépards ...@@ -1171,8 +1172,8 @@ $k_g$. Finalement le terme $(4)$ est la reproduction des guépards
proportionnelle au nombre d’antilopes avec un taux $k_{a,g}$. proportionnelle au nombre d’antilopes avec un taux $k_{a,g}$.
Nous avons à faire ici à un système d’équations différentielles. Nous Nous avons à faire ici à un système d’équations différentielles. Nous
n’allons pas nous intéresser à la résolution de ce système mais n’allons pas nous intéresser aux détails de larésolution de ce système mais
simplement étudier la solution à ce problème (voir la @fig:lkA et @fig:lkB). simplement étudier le comportement de la solution (voir la @fig:lkA et @fig:lkB).
<div id="fig:lk"> <div id="fig:lk">
![L’évolution au cours du temps de la population d’antilopes et de guépards.](figs/lv.pdf){#fig:lkA width="50%"} ![L’évolution au cours du temps de la population d’antilopes et de guépards.](figs/lv.pdf){#fig:lkA width="50%"}
...@@ -1225,7 +1226,7 @@ position $(a)$ la solution est $$U_C(t)=U(1-\exp(-t/(RC))).$$ La tension ...@@ -1225,7 +1226,7 @@ position $(a)$ la solution est $$U_C(t)=U(1-\exp(-t/(RC))).$$ La tension
augmente exponentiellement au début, puis au fur et à mesure que la augmente exponentiellement au début, puis au fur et à mesure que la
capacité se charge il devient de plus en plus difficile de la charger. capacité se charge il devient de plus en plus difficile de la charger.
L’augmentation de la tension se fait donc de plus en plus lentement L’augmentation de la tension se fait donc de plus en plus lentement
jusqu’à ce qu’on tende vers une asymptote horizontale en $U$. jusqu’à devenir une asymptote horizontale en $U$.
#### Taux d’intérêts composés #### Taux d’intérêts composés
...@@ -1237,7 +1238,7 @@ après un intervalle $\delta t$ est de ...@@ -1237,7 +1238,7 @@ après un intervalle $\delta t$ est de
$$c(t+\delta t)=c(t)+(r\delta t )c(t)+d\delta t.$${#eq:cap_discr} $$c(t+\delta t)=c(t)+(r\delta t )c(t)+d\delta t.$${#eq:cap_discr}
Supposons qu’on a un capital de départ $1000 \mathrm{CHF}$, un taux Supposons qu’on a un capital de départ $1000 \mathrm{CHF}$, un taux
d’intérêts annuel de $1\%$ et un dépôt annuel de $100\mathrm{CHF}$. d’intérêts annuel de $1\%$ et un dépôt annuel de $100\mathrm{CHF}$.
Après deux mois ($\delta t=2/12=1/6$) on a donc que le capital devient Après deux mois ($\delta t=2/12=1/6$) le capital devient
$$c(1/6)=1000+0.01/6\cdot 1000 +100/6=1018.3\mathrm{CHF}.$$ Si $$c(1/6)=1000+0.01/6\cdot 1000 +100/6=1018.3\mathrm{CHF}.$$ Si
maintenant, nous voulons avoir la valeur du capital à n’importe quel maintenant, nous voulons avoir la valeur du capital à n’importe quel
moment dans le temps, nous allons prendre $\delta t\rightarrow 0$. En moment dans le temps, nous allons prendre $\delta t\rightarrow 0$. En
...@@ -1275,7 +1276,7 @@ Afin de résoudre cette équation, nous cherchons une solution de la forme ...@@ -1275,7 +1276,7 @@ Afin de résoudre cette équation, nous cherchons une solution de la forme
$y=f(x)$. On dit également que nous cherchons à intégrer l’équation $y=f(x)$. On dit également que nous cherchons à intégrer l’équation
différentielle. différentielle.
Afin de classifier les équation différentielles, considérons les deux Afin de classifier les équation différentielles, considérons les
définitions suivantes définitions suivantes
Définition (Ordre) +.# Définition (Ordre) +.#
...@@ -1294,7 +1295,7 @@ Définition (Condition initiale) +.# ...@@ -1294,7 +1295,7 @@ Définition (Condition initiale) +.#
Une condition initiale pour une équation différentielle d’ordre $n$, est Une condition initiale pour une équation différentielle d’ordre $n$, est
un ensemble de valeurs, $y_0$, $y_1$, ..., $y_{n-1}$ donnée telles que un ensemble de valeurs, $y_0$, $y_1$, ..., $y_{n-1}$ donnée telles que
pour une valeur $x_0$ donnée on a pour une valeur $x_0$ donnée on a
$$y(x_0)=y_0,\ y'(x_0)=y_1,\ ...,\ y^{(n-1)}=y_{n-1}.$$ $$y(x_0)=y_0,\ y'(x_0)=y_1,\ ...,\ y^{(n-1)}(x_0)=y_{n-1}.$$
Nous souhaitons maintenant savoir sous quelles conditions une équation Nous souhaitons maintenant savoir sous quelles conditions une équation
différentielle admet une solution et si elle est unique. Nous n’allons différentielle admet une solution et si elle est unique. Nous n’allons
...@@ -1309,16 +1310,16 @@ Théorème (Existence et unicité) +.# ...@@ -1309,16 +1310,16 @@ Théorème (Existence et unicité) +.#
Soit $D\subseteq{\real}$ le domaine de définition de la fonction Soit $D\subseteq{\real}$ le domaine de définition de la fonction
$y$. Soit $y:D\rightarrow E\subseteq {\real}$ une fonction à valeur $y$. Soit $y:D\rightarrow E\subseteq {\real}$ une fonction à valeur
réelle continue et dérivable sur $D$, et réelle continue et dérivable sur $D$, et
$f:D\times E\rightarrow F\subseteq{\real}$ une fonction continue $f:D\times E\rightarrow F\subseteq{\real}$ une fonction à deux variables continue
sur $D\times E$. Alors, le système suivant (également appelé problème de sur $D\times E$. Alors, le système suivant (également appelé problème de
Cauchy) $$\begin{aligned} Cauchy) $$\begin{aligned}
&y'=f(y,x),\\ &y'=f(y,x),\\
&y(x=x_0)=y_0, &y(x=x_0)=y_0,
\end{aligned}$$ admet une unique unique solution $y(x)$. \end{aligned}$$ admet une unique solution $y(x)$.
--- ---
Ce théorème peut être étendu à une équation d’un ordre arbitraire $n$ Ce théorème peut être étendu à une équation d’un ordre arbitraire, $n$,
possédant $n-1$ conditions initiales. En effet, n’importe quel équation possédant $n-1$ conditions initiales. En effet, n’importe quel équation
différentielle d’un ordre $n$ peut être réécrite sous la forme de $n$ différentielle d’un ordre $n$ peut être réécrite sous la forme de $n$
équations différentielles d’ordre $1$. Pour illustrer cette propriété équations différentielles d’ordre $1$. Pour illustrer cette propriété
...@@ -1352,12 +1353,12 @@ dite à **coefficients constants**. ...@@ -1352,12 +1353,12 @@ dite à **coefficients constants**.
--- ---
L’équation ci-dessus a les deux propriétés suivantes L’équation ci-dessus a les propriétés suivantes
1. Les $a_i$ ne dépendent que de $x$ (ils ne peuvent pas dépendre de 1. Les $a_i$ ne dépendent que de $x$ (ils ne peuvent pas dépendre de
$y$). $y$).
2. Les $y$ et toutes leur dérivées ont un degré 1. 2. Les $y$ et toutes leur dérivées ont un degré polynomial de 1.
Illustration +.# Illustration +.#
...@@ -1386,7 +1387,7 @@ $$\begin{aligned} ...@@ -1386,7 +1387,7 @@ $$\begin{aligned}
Exercice (Homogénéité) +.# Exercice (Homogénéité) +.#
Pour chacune de ces équations différentielles ordinaires suivantes Pour chacune de ces équations différentielles ordinaires
donner tous les qualificatifs possibles. Si l’équation est inhomogène donner tous les qualificatifs possibles. Si l’équation est inhomogène
donner l’équation homogène associée. $$\begin{aligned} donner l’équation homogène associée. $$\begin{aligned}
&y^{(4)}+4x^2 y=0,\\ &y^{(4)}+4x^2 y=0,\\
...@@ -1398,10 +1399,10 @@ donner l’équation homogène associée. $$\begin{aligned} ...@@ -1398,10 +1399,10 @@ donner l’équation homogène associée. $$\begin{aligned}
--- ---
Lors de la résolution d’équation différence inhomogène la solution se La solution des équations différencielles inhomogènes se
trouve de la façon suivante. trouve de la façon suivante.
1. Trouver la solution de l’équation différentielle homogène associée, 1. Trouver la solution générale de l’équation différentielle homogène associée,
notons-la $y_h(x)$. notons-la $y_h(x)$.
2. Trouver une solution particulière à l’équation inhomogène, notons-la 2. Trouver une solution particulière à l’équation inhomogène, notons-la
...@@ -1485,10 +1486,10 @@ Exercice +.# ...@@ -1485,10 +1486,10 @@ Exercice +.#
Pour une équation du type $$y'(x)=a(x)\cdot y(x)+b(x),$${#eq:lin} Pour une équation du type $$y'(x)=a(x)\cdot y(x)+b(x),$${#eq:lin}
on doit résoudre le problème en deux parties. on doit résoudre le problème en deux parties.
Pour résoudre ce genre d’équation supposons que nous connaissons une supposons que nous connaissons une
solution “particulière” à cette équation. Notons la $y_p$. Si nous solution “particulière” à cette équation. Notons la $y_p$. Si nous
faisons maintenant le changement de variables $y=y_h+y_p$ et remplaçons faisons maintenant le changement de variables $y=y_h+y_p$ et remplaçons
ce changement de variables dans l’équation ci-dessus ce changement de variables dans l’équation ci-dessus nous obtenons
$$y_p'(x)+y_h'(x)=a(x)\cdot y_p(x)+a(x)\cdot y_h(x)+b(x).$${#eq:lin_hp} $$y_p'(x)+y_h'(x)=a(x)\cdot y_p(x)+a(x)\cdot y_h(x)+b(x).$${#eq:lin_hp}
Comme $y_p$ est solution de l'@eq:lin on a Comme $y_p$ est solution de l'@eq:lin on a
$$y_p'(x)=a(x)\cdot y_p(x)+b(x).$$ En remplaçant cette relation dans $$y_p'(x)=a(x)\cdot y_p(x)+b(x).$$ En remplaçant cette relation dans
...@@ -1496,7 +1497,7 @@ l'@eq:lin_hp il vient $$y_h'(x)=a(x)\cdot y_h(x).$$ ...@@ -1496,7 +1497,7 @@ l'@eq:lin_hp il vient $$y_h'(x)=a(x)\cdot y_h(x).$$
Cette équation différentielle n’est rien d’autre que l’équation homogène Cette équation différentielle n’est rien d’autre que l’équation homogène
correspondant à @eq:lin. correspondant à @eq:lin.
Nous voyons donc qu’une équation inhomogène se résout en trouvant la Nous voyons qu’une équation inhomogène se résout en trouvant la
solution générale à l’équation homogène correspondante et en y ajoutant solution générale à l’équation homogène correspondante et en y ajoutant
une solution particulière. une solution particulière.
...@@ -1509,15 +1510,15 @@ Puis nous devons chercher une solution dite particulière de l’équation ...@@ -1509,15 +1510,15 @@ Puis nous devons chercher une solution dite particulière de l’équation
inhomogène. Pour ce faire nous utilisons la méthode de la variation de inhomogène. Pour ce faire nous utilisons la méthode de la variation de
la constante. Il s’agit de trouver une solution particulière qui aura la la constante. Il s’agit de trouver une solution particulière qui aura la
même forme que la solution de l’équation homogène, où $C$ dépendra de même forme que la solution de l’équation homogène, où $C$ dépendra de
$x$ (méthode de variation de la constante) $x$ (d'où le nom de méthode de variation de la constante)
$$y_p(x)=C(x)e^{\int a(x){\mathrm{d}}x}.$$ En remplaçant cette équation $$y_p(x)=C(x)e^{\int a(x){\mathrm{d}}x}.$$ En remplaçant cette équation
dans l'@eq:lin, on obtient $$\begin{aligned} dans l'@eq:lin, on obtient $$\begin{aligned}
C'(x)e^{\int a(x){\mathrm{d}}x}+C(x)\cdot a(x)e^{\int a(x){\mathrm{d}}x}&=a(x)\cdot C(x) e^{\int a(x){\mathrm{d}}x}+b(x),\nonumber\\ C'(x)e^{\int a(x){\mathrm{d}}x}+C(x)\cdot a(x)e^{\int a(x){\mathrm{d}}x}&=a(x)\cdot C(x) e^{\int a(x){\mathrm{d}}x}+b(x),\nonumber\\
C'(x)&=\frac{b(x)}{e^{\int a(x){\mathrm{d}}x}}. C'(x)&=\frac{b(x)}{e^{\int a(x){\mathrm{d}}x}}.
\end{aligned}$$ Il nous reste donc à résoudre cette équation \end{aligned}$$ Il nous reste donc à résoudre cette équation
différentielle pour $C(x)$ qui est une équation à variable séparable où différentielle pour $C(x)$ qui est une équation à variables séparables
on aurait un $a(c)=1$. On intègre donc directement cette équation et on on aurait un $a(c)=1$. On intègre donc directement cette équation
obtient pour obtienir
$$C(x)=\int \frac{b(x)}{e^{\int a(x){\mathrm{d}}x}}{\mathrm{d}}x.$$ $$C(x)=\int \frac{b(x)}{e^{\int a(x){\mathrm{d}}x}}{\mathrm{d}}x.$$
Finalement, on a que la solution de l’équation générale de l’équation Finalement, on a que la solution de l’équation générale de l’équation
inhomogène est inhomogène est
...@@ -1560,7 +1561,7 @@ Une classe particulière sont les équations de Bernouilli, qui s’écrit ...@@ -1560,7 +1561,7 @@ Une classe particulière sont les équations de Bernouilli, qui s’écrit
$$y'(x)+a(x)\cdot y(x)+b(x)\cdot y^n(x)=0,$${#eq:bernouilli} où $$y'(x)+a(x)\cdot y(x)+b(x)\cdot y^n(x)=0,$${#eq:bernouilli} où
$r\in{\real}$. $r\in{\real}$.
Cette équation peut également être réécrite sous la forme Cette équation peut être réécrite sous la forme
$$\frac{y'(x)}{y^n(x)}+\frac{a(x)}{y^{n-1}(x)}+b(x)=0.$${#eq:bernouilli_2} $$\frac{y'(x)}{y^n(x)}+\frac{a(x)}{y^{n-1}(x)}+b(x)=0.$${#eq:bernouilli_2}
Dans ce cas là, en effectuant le changement de variable suivant Dans ce cas là, en effectuant le changement de variable suivant
...@@ -1577,7 +1578,7 @@ Solution +.# ...@@ -1577,7 +1578,7 @@ Solution +.#
Avec Avec
la substitution $z=y^5$, on obtient $$z'-5z+5x=0.$$ Cette équation se la substitution $z=y^5$, on obtient $$z'-5z+5x=0.$$ Cette équation se
résout avec se résout en trouvant d’abord la solution de l’équation résout en trouvant d’abord la solution de l’équation
homogène $$z_h'-5z_h=0,$$ qui est donnée par $$z_h=Ae^{5x}.$$ En homogène $$z_h'-5z_h=0,$$ qui est donnée par $$z_h=Ae^{5x}.$$ En
remarquant qu’une solution particulière à $z_p'-5z_p+5x=0$, peut être de remarquant qu’une solution particulière à $z_p'-5z_p+5x=0$, peut être de
la forme $z_p=x+B$ (avec $B$ une constante) on obtient $$\begin{aligned} la forme $z_p=x+B$ (avec $B$ une constante) on obtient $$\begin{aligned}
...@@ -1627,13 +1628,13 @@ $$v(x)=-\frac{z'(x)}{z(x)},$$ on obtient que l’équation ci-dessus peut ...@@ -1627,13 +1628,13 @@ $$v(x)=-\frac{z'(x)}{z(x)},$$ on obtient que l’équation ci-dessus peut
se réécrire comme se réécrire comme
$$z''(x)+e(x)\cdot z'(x)+d(x)\cdot z(x)=0.$${#eq:riccati_3} $$z''(x)+e(x)\cdot z'(x)+d(x)\cdot z(x)=0.$${#eq:riccati_3}
L’équation de Riccati (une équation d’ordre un non-linéaire et L’équation de Riccati (une équation d’ordre un non-linéaire et
inhomogène) est donc transformée en une équation linéaire d’ordre deux. inhomogène) est ainsi transformée en une équation linéaire d’ordre deux.
Equations différentielles ordinaires d’ordre deux Equations différentielles ordinaires d’ordre deux
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Dans cette section, nous allons étudier des cas particuliers d’équations Dans cette section, nous allons étudier des cas particuliers d’équations
différentielles que nous savons résoudre. Cela sera toujours des différentielles que nous savons intégrer. Cela sera toujours des
équations linéaires. équations linéaires.
De façon générale ces équations s’écrivent De façon générale ces équations s’écrivent
...@@ -1642,7 +1643,7 @@ $a,b,c,d:{\real}\rightarrow{\real}$ sont des fonctions ...@@ -1642,7 +1643,7 @@ $a,b,c,d:{\real}\rightarrow{\real}$ sont des fonctions
réelles. Avant de résoudre l’équation générale, nous allons considérer réelles. Avant de résoudre l’équation générale, nous allons considérer
des plus simples. des plus simples.
### EDO d’ordre deux à coefficients constants homogènes ### EDO d’ordre deux homogène à coefficients constants
Ce genre d’équations s’écrit sous la forme Ce genre d’équations s’écrit sous la forme
$$a y''(x)+by'(x)+cy(x)=0.$${#eq:edo2_cch} Voyons maintenant $$a y''(x)+by'(x)+cy(x)=0.$${#eq:edo2_cch} Voyons maintenant
...@@ -1655,20 +1656,20 @@ l’équation différentielle. ...@@ -1655,20 +1656,20 @@ l’équation différentielle.
Propriétés +.# Propriétés +.#
Ces propriétés sont à démontrer en exercice. Ces propriétés (qui caractérisent le mot "linéaires") sont à démontrer en exercice.
1. Soit $f(x)$ une solution de l'@eq:edo2_cch, alors 1. Soit $f(x)$ une solution de l'@eq:edo2_cch, alors
on a aussi que pour $C\in{\real}$ $Cf(x)$ est également pour $C\in{\real}$ $Cf(x)$ est également
solution de @eq:edo2_cch. solution de @eq:edo2_cch.
2. Soient $f(x)$ et $g(x)$ deux solutions de l’équation 2. Soient $f(x)$ et $g(x)$ deux solutions de l’équation
@eq:edo2_cch, alors on a aussi que pour $h(x)=f(x)+g(x)$ @eq:edo2_cch, alors $h(x)=f(x)+g(x)$
est également solution de @eq:edo2_cch. est également solution de @eq:edo2_cch.
3. De ces deux propriétés, on déduit la propriété suivante. Soient 3. De ces deux propriétés, on déduit la propriété suivante. Soient
$f(x)$ et $g(x)$ deux solutions de l'@eq:edo2_cch, $f(x)$ et $g(x)$ deux solutions de l'@eq:edo2_cch,
et $C_1,C_2\in{\real}$, alors on a que $h(x)=C_1f(x)+C_2g(x)$ et $C_1,C_2\in{\real}$, $h(x)=C_1f(x)+C_2g(x)$
sont solution de l'@eq:edo2_cch. est aussi solution de l'@eq:edo2_cch.
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...@@ -1707,27 +1708,27 @@ $$y(x)=2e^{-x}-e^{-2x}.$$ ...@@ -1707,27 +1708,27 @@ $$y(x)=2e^{-x}-e^{-2x}.$$
A présent, nous pouvons généraliser cette méthode pour l’équation A présent, nous pouvons généraliser cette méthode pour l’équation
@eq:edo2_cch $$a y''(x)+by'(x)+cy(x)=0.$$ En faisans la même @eq:edo2_cch $$a y''(x)+by'(x)+cy(x)=0.$$ En faisans la même
subsitution que précédemment, $y=e^{\lambda x}$, on a $$\begin{aligned} subsitution que précédemment, $y=e^{\lambda x}$, on a $$\begin{aligned}
&a y''(x)+by'(x)+cy(x)=0,\\ &a \lambda^2e^{\lambda x}+b\lambdae^{\lambda x} +ce^{\lambda x}=0,\\
&a \lambda^2+\lambda b+c=0.\end{aligned}$$ L’équation ci-dessus doit &a \lambda^2+\lambda b+c=0.\end{aligned}$$ L’équation ci-dessus doit
être résolue pour $\lambda$. Nous savons comment résoudre ce genre être résolue pour $\lambda$. Nous savons comment résoudre ce genre
d’équation du second degré. La solution est donnée par d’équation du second degré. La solution est donnée par
$$\lambda=\frac{-b\pm\sqrt{\Delta}}{2a},$$ où $\Delta = b^2-4ac$. On a $$\lambda=\frac{-b\pm\sqrt{\Delta}}{2a},$$ où $\Delta = b^2-4ac$. On a
donc deux solutions $$\begin{aligned} deux solutions $$\begin{aligned}
\lambda_1=\frac{-b-\sqrt{\Delta}}{2a},\\ \lambda_1=\frac{-b-\sqrt{\Delta}}{2a},\\
\lambda_2=\frac{-b+\sqrt{\Delta}}{2a}.\end{aligned}$$ \lambda_2=\frac{-b+\sqrt{\Delta}}{2a}.\end{aligned}$$
Il y a donc trois cas différents possibles: $\Delta > 0$, $\Delta = 0$, Il y a trois cas possibles: $\Delta > 0$, $\Delta = 0$,
$\Delta < 0$. $\Delta < 0$.
#### Le cas $\Delta>0$ #### Le cas $\Delta>0$
Dans ce cas, on a que $\lambda_1,\lambda_2\in{\real}$ sont réels. Dans ce cas, on a que $\lambda_1,\lambda_2\in{\real}$ sont réels.
La solution est donc donnée par (comme on l’a vu au paravent) La solution est donc donnée par (comme on l’a vu au paravant)
$$y(x)=C_1e^{\lambda_1 x}+C_2e^{\lambda_2 x}.$$ $$y(x)=C_1e^{\lambda_1 x}+C_2e^{\lambda_2 x}.$$
#### Le cas $\Delta=0$ #### Le cas $\Delta=0$
Dans ce cas, on a que $\lambda_1=\lambda_2=\lambda=-b/(2a)$ et est réel. Ici, $\lambda_1=\lambda_2=\lambda=-b/(2a)$ et $\lambda$ est réel.
Dans ce cas-là les choses se compliquent un peu. Si on utilisait Dans ce cas-là les choses se compliquent un peu. Si on utilisait
directement la formule ci-dessus, on aurait $$y(x)=Ce^{\lambda x},$$ directement la formule ci-dessus, on aurait $$y(x)=Ce^{\lambda x},$$
avec $C\in{\real}$. Par contre, cette solution ne peut pas avec $C\in{\real}$. Par contre, cette solution ne peut pas
...@@ -1743,11 +1744,11 @@ générale de l’équation différentielle $$y(x)=(C_1+C_2 x)e^{\lambda x}.$$ ...@@ -1743,11 +1744,11 @@ générale de l’équation différentielle $$y(x)=(C_1+C_2 x)e^{\lambda x}.$$
#### Le cas $\Delta<0$ #### Le cas $\Delta<0$
Dans ce cas-là, on a deux solutions complexes (la racine d’une nombre Dans ce cas-là, on a deux solutions complexes (la racine d’une nombre
négative n’est pas réelle). Les racines sont de la forme négatif n’est pas réelle). Les racines sont de la forme
$$\begin{aligned} $$\begin{aligned}
\lambda_1=\frac{-b+i\sqrt{|b^2-4ac|}}{2a}, \lambda_1=\frac{-b+i\sqrt{|b^2-4ac|}}{2a},
\lambda_2=\frac{-b-i\sqrt{|b^2-4ac|}}{2a},\end{aligned}$$ où $i$ est le \lambda_2=\frac{-b-i\sqrt{|b^2-4ac|}}{2a},\end{aligned}$$ où $i$ est l'unité
nombre imaginaire. En écrivant $u=-b/(2a)$ et $v=\sqrt{|b^2-4ac|}/(2a)$, imaginaire. En écrivant $u=-b/(2a)$ et $v=\sqrt{|b^2-4ac|}/(2a)$,
on peut écrire $\lambda_1=u+iv$ et $\lambda_2=u-iv$. On a donc que on peut écrire $\lambda_1=u+iv$ et $\lambda_2=u-iv$. On a donc que
$\lambda_2$ est le complexe conjugué de $\lambda_1$, ou $\lambda_2$ est le complexe conjugué de $\lambda_1$, ou
$\lambda_1=\bar{\lambda}_2$. En utilisant ces notations dans notre $\lambda_1=\bar{\lambda}_2$. En utilisant ces notations dans notre
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