Chapitre 09

Équations différentielles

Équations différentielles du premier ordre et du second ordre à coefficients constants.

Sommaire
  1. I Équation différentielle du premier ordre
  2. II Équation différentielle du second ordre

Équation différentielle du premier ordre

Forme générale

L'équation différentielle du premier ordre à coefficients constants est de la forme :

\( y' = ay + b \)

où \( a \) et \( b \) sont des constantes réelles (\( a \neq 0 \)).

Solution générale

La solution générale de l'équation \( y' = ay + b \) est :

\( y(x) = \alpha\, e^{ax} - \dfrac{b}{a} \)

où \( \alpha \in \mathbb{R} \) est une constante arbitraire.

Cas particulier : \( b = 0 \)

Si \( b = 0 \), l'équation devient \( y' = ay \) et la solution est :

\( y(x) = \alpha\, e^{ax} \qquad (\alpha \in \mathbb{R}) \)

Condition initiale

Si on impose \( y(x_0) = y_0 \), on détermine la constante \( \alpha \) de manière unique. Il y a alors une seule solution vérifiant la condition initiale.

Exemple

Résoudre \( y' = 2y - 6 \) avec \( y(0) = 5 \).

Ici \( a = 2 \), \( b = -6 \). Solution générale : \( y(x) = \alpha\,e^{2x} - \dfrac{-6}{2} = \alpha\,e^{2x} + 3 \).

Condition \( y(0) = 5 \) : \( \alpha + 3 = 5 \), donc \( \alpha = 2 \).

Solution : \( y(x) = 2e^{2x} + 3 \).

Équation différentielle du second ordre

Forme générale

L'équation différentielle du second ordre à coefficients constants (homogène) est de la forme :

\( y'' + ay' + by = 0 \)

où \( a \) et \( b \) sont des constantes réelles.

Équation caractéristique

On associe à l'équation différentielle l'équation caractéristique :

\( r^2 + ar + b = 0 \)

On calcule le discriminant : \( \Delta = a^2 - 4b \).

Les trois cas selon le signe de \( \Delta \)

Signe de \( \Delta \) Racines de l'éq. caractéristique Solution générale de \( y'' + ay' + by = 0 \)
\( \Delta > 0 \) Deux racines réelles distinctes \( r_1 \) et \( r_2 \) \( y(x) = \alpha\,e^{r_1 x} + \beta\,e^{r_2 x} \)
\( (\alpha, \beta) \in \mathbb{R}^2 \)
\( \Delta = 0 \) Une racine double réelle \( r \) \( y(x) = (\alpha x + \beta)\,e^{rx} \)
\( (\alpha, \beta) \in \mathbb{R}^2 \)
\( \Delta < 0 \) Deux racines complexes conjuguées
\( r_1 = p - iq \) et \( r_2 = p + iq \)
\( y(x) = \big(\alpha\cos(qx) + \beta\sin(qx)\big)\,e^{px} \)
\( (\alpha, \beta) \in \mathbb{R}^2 \)
Remarques importantes
  • Dans le cas \( \Delta < 0 \) : \( p = \dfrac{-a}{2} \) (partie réelle) et \( q = \dfrac{\sqrt{|\Delta|}}{2} \) (partie imaginaire).
  • Si \( p = 0 \) (c'est-à-dire \( a = 0 \)), la solution est purement oscillante : \( y(x) = \alpha\cos(qx) + \beta\sin(qx) \).
  • Les constantes \( \alpha \) et \( \beta \) sont déterminées par deux conditions initiales : \( y(x_0) = y_0 \) et \( y'(x_0) = y'_0 \).
Exemple 1 : \( \Delta > 0 \)

Résoudre \( y'' - 3y' + 2y = 0 \).

Éq. caractéristique : \( r^2 - 3r + 2 = 0 \). \( \Delta = 9 - 8 = 1 > 0 \). Racines : \( r_1 = 1 \), \( r_2 = 2 \).

Solution : \( y(x) = \alpha\,e^x + \beta\,e^{2x} \).

Exemple 2 : \( \Delta = 0 \)

Résoudre \( y'' - 4y' + 4y = 0 \).

Éq. caractéristique : \( r^2 - 4r + 4 = 0 \). \( \Delta = 0 \). Racine double : \( r = 2 \).

Solution : \( y(x) = (\alpha x + \beta)\,e^{2x} \).

Exemple 3 : \( \Delta < 0 \)

Résoudre \( y'' + 2y' + 5y = 0 \).

Éq. caractéristique : \( r^2 + 2r + 5 = 0 \). \( \Delta = 4 - 20 = -16 < 0 \).

\( p = \dfrac{-2}{2} = -1 \), \( q = \dfrac{\sqrt{16}}{2} = 2 \). Racines : \( r = -1 \pm 2i \).

Solution : \( y(x) = \big(\alpha\cos(2x) + \beta\sin(2x)\big)\,e^{-x} \).