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Équation caractéristique

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Pourquoi apprendre ça ?

La méthode de l'équation caractéristique est le couteau suisse des EDO linéaires à coefficients constants. Elle permet de résoudre l'équation homogène rapidement, et la méthode de variation de la constante fournit une solution particulière pour le terme non homogène. Ces techniques s'appliquent à l'oscillateur harmonique, au circuit LC, à de nombreux systèmes physiques.

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Analogie

Résoudre une EDO du 2ème ordre, c'est comme trouver une équation de trajectoire : la solution homogène décrit le comportement naturel du système (sans excitation), et la solution particulière décrit la réponse forcée (avec excitation externe). La solution générale est la superposition des deux — le système naturel plus la réponse à l'excitation.

Rappel : EDO homogène et équation caractéristique

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Théorie

Pour ay′′+by′+cy=0ay'' + by' + cy = 0, l'équation caractéristique ar2+br+c=0ar^2 + br + c = 0 donne :

  • Δ>0\Delta > 0 : yh=C1er1t+C2er2ty_h = C_1 e^{r_1 t} + C_2 e^{r_2 t}
  • Δ=0\Delta = 0 : yh=(C1+C2t)er0ty_h = (C_1 + C_2 t)e^{r_0 t}
  • Δ<0\Delta < 0 : yh=eαt(C1cos⁡βt+C2sin⁡βt)y_h = e^{\alpha t}(C_1\cos\beta t + C_2\sin\beta t) avec r=α±iβr = \alpha \pm i\beta

La solution générale de l'équation non homogène ay′′+by′+cy=f(t)ay'' + by' + cy = f(t) est :

y=yh+ypy = y_h + y_p

où yhy_h est la solution générale de l'homogène et ypy_p est une solution particulière de la non-homogène.

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Structure de la solution complète

Équation non homogène : y′′−5y′+6y=ety'' - 5y' + 6y = e^{t}

Homogène (y′′−5y′+6y=0y'' - 5y' + 6y = 0) : Eq. car. : r2−5r+6=0⇒r1=2, r2=3r^2 - 5r + 6 = 0 \Rightarrow r_1 = 2,\ r_2 = 3 yh=C1e2t+C2e3ty_h = C_1 e^{2t} + C_2 e^{3t}

Particulière : on cherche ypy_p (méthode ci-dessous).

Solution générale : y=C1e2t+C2e3t+ypy = C_1 e^{2t} + C_2 e^{3t} + y_p

Les constantes C1,C2C_1, C_2 s'adaptent aux conditions initiales après avoir ajouté ypy_p.

Méthode des coefficients indéterminés

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Théorie

Pour certaines formes de f(t)f(t), on peut deviner la forme de ypy_p :

| f(t)f(t) | Forme de ypy_p (si rr non racine car.) | |--------|----------------------------------------| | Pn(t)P_n(t) (polynôme de degré nn) | Qn(t)Q_n(t) (polynôme de degré nn) | | eate^{at} | AeatAe^{at} | | eatPn(t)e^{at}P_n(t) | eatQn(t)e^{at}Q_n(t) | | cos⁡(ωt)\cos(\omega t) ou sin⁡(ωt)\sin(\omega t) | Acos⁡ωt+Bsin⁡ωtA\cos\omega t + B\sin\omega t | | eatcos⁡(ωt)e^{at}\cos(\omega t) | eat(Acos⁡ωt+Bsin⁡ωt)e^{at}(A\cos\omega t + B\sin\omega t) |

Règle de résonance : si la forme proposée est solution de l'homogène (racine caractéristique), multiplier par tt (ou t2t^2 si racine double).

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Coefficients indéterminés — trois exemples

Exemple 1 : y′′−5y′+6y=ety'' - 5y' + 6y = e^t

et→yp=Aete^t \to y_p = Ae^t. Substitution : Aet−5Aet+6Aet=2Aet=et⇒A=1/2Ae^t - 5Ae^t + 6Ae^t = 2Ae^t = e^t \Rightarrow A = 1/2

yp=12ety_p = \frac{1}{2}e^t

Exemple 2 : y′′+y=sin⁡(t)y'' + y = \sin(t)

Eq. car. : r2+1=0⇒r=±ir^2 + 1 = 0 \Rightarrow r = \pm i. Or sin⁡(t)=Im(eit)\sin(t) = \text{Im}(e^{it}) — résonance !

Forme : yp=t(Acos⁡t+Bsin⁡t)y_p = t(A\cos t + B\sin t).

Substitution (développement) : yp′′+yp=−2Asin⁡t+2Bcos⁡t=sin⁡ty_p'' + y_p = -2A\sin t + 2B\cos t = \sin t

A=−1/2, B=0⇒yp=−t2cos⁡tA = -1/2,\ B = 0 \Rightarrow y_p = -\frac{t}{2}\cos t

Exemple 3 : y′′−3y′+2y=t2y'' - 3y' + 2y = t^2

yp=At2+Bt+Cy_p = At^2 + Bt + C. Substitution : (2A)−3(2At+B)+2(At2+Bt+C)=t2(2A) - 3(2At+B) + 2(At^2+Bt+C) = t^2

2At2+(−6A+2B)t+(2A−3B+2C)=t22At^2 + (-6A+2B)t + (2A - 3B + 2C) = t^2

Système : 2A=12A=1, −6A+2B=0-6A+2B=0, 2A−3B+2C=02A-3B+2C=0 → A=1/2A=1/2, B=3/2B=3/2, C=7/4C=7/4.

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Checkpoint

Pour y'' + 4y = cos(2t), pourquoi ne peut-on pas prendre directement y_p = A cos(2t) + B sin(2t) ?

Variation de la constante

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Théorie

La méthode de variation de la constante (ou de Lagrange) trouve ypy_p pour n'importe quel f(t)f(t).

Connaissant yh=C1y1+C2y2y_h = C_1 y_1 + C_2 y_2, on cherche yp=u1(t)y1+u2(t)y2y_p = u_1(t) y_1 + u_2(t) y_2.

Les fonctions u1′,u2′u_1', u_2' vérifient le système de Lagrange :

{u1′y1+u2′y2=0u1′y1′+u2′y2′=f(t)a\begin{cases} u_1' y_1 + u_2' y_2 = 0 \\ u_1' y_1' + u_2' y_2' = \dfrac{f(t)}{a} \end{cases}

Résolution par la règle de Cramer (W=y1y2′−y2y1′W = y_1 y_2' - y_2 y_1' est le wronskien) :

u1′=−y2f(t)/aW,u2′=y1f(t)/aWu_1' = -\frac{y_2 f(t)/a}{W}, \quad u_2' = \frac{y_1 f(t)/a}{W}

Puis u1=∫u1′ dtu_1 = \int u_1'\,dt et u2=∫u2′ dtu_2 = \int u_2'\,dt (prendre la constante à 0 pour une solution particulière).

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Variation de la constante — oscillateur forcé

y′′+y=tan⁡ty'' + y = \tan t (pas traitée par coefficients indéterminés)

Homogène : y1=cos⁡ty_1 = \cos t, y2=sin⁡ty_2 = \sin t, W=cos⁡2t+sin⁡2t=1W = \cos^2 t + \sin^2 t = 1.

u1′=−sin⁡t⋅tan⁡t1=−sin⁡2tcos⁡t=cos⁡t−1cos⁡tu_1' = -\frac{\sin t \cdot \tan t}{1} = -\frac{\sin^2 t}{\cos t} = \cos t - \frac{1}{\cos t}

u2′=cos⁡t⋅tan⁡t1=sin⁡tu_2' = \frac{\cos t \cdot \tan t}{1} = \sin t

Intégration : u1=sin⁡t−ln⁡∣sec⁡t+tan⁡t∣u_1 = \sin t - \ln|\sec t + \tan t| u2=−cos⁡tu_2 = -\cos t

Solution particulière : yp=(sin⁡t−ln⁡∣sec⁡t+tan⁡t∣)cos⁡t+(−cos⁡t)sin⁡t=−cos⁡tln⁡∣sec⁡t+tan⁡t∣y_p = (\sin t - \ln|\sec t + \tan t|)\cos t + (-\cos t)\sin t = -\cos t \ln|\sec t + \tan t|

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Piège : confondre solution générale de l'homogène et de la complète

La solution générale de l'EDO non homogène est y=yh+ypy = y_h + y_p où ypy_p est UNE solution particulière (sans constantes), et yhy_h contient les constantes C1,C2C_1, C_2. On N'AJOUTE PAS les constantes de yhy_h à ypy_p — ypy_p est déjà une fonction déterminée. Les constantes ne sont dans yhy_h que pour s'adapter aux conditions initiales.

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Théorie

Conditions initiales : Pour l'EDO non homogène ay′′+by′+cy=f(t)ay'' + by' + cy = f(t) avec y(t0)=y0y(t_0) = y_0, y′(t0)=y0′y'(t_0) = y_0' :

  1. Trouver yh=C1y1+C2y2y_h = C_1 y_1 + C_2 y_2
  2. Trouver ypy_p
  3. Écrire y=yh+ypy = y_h + y_p
  4. Appliquer les CI : système 2×2 en C1,C2C_1, C_2 :

{C1y1(t0)+C2y2(t0)=y0−yp(t0)C1y1′(t0)+C2y2′(t0)=y0′−yp′(t0)\begin{cases} C_1 y_1(t_0) + C_2 y_2(t_0) = y_0 - y_p(t_0) \\ C_1 y_1'(t_0) + C_2 y_2'(t_0) = y_0' - y_p'(t_0) \end{cases}

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Solution complète avec conditions initiales

y′′+2y′+y=e−ty'' + 2y' + y = e^{-t}, y(0)=0y(0) = 0, y′(0)=1y'(0) = 1.

Homogène : r2+2r+1=(r+1)2=0⇒r0=−1r^2 + 2r + 1 = (r+1)^2 = 0 \Rightarrow r_0 = -1 (double)

yh=(C1+C2t)e−ty_h = (C_1 + C_2 t)e^{-t}

Particulière : e−te^{-t} est solution de l'homogène (racine double) → yp=At2e−ty_p = At^2 e^{-t}

yp′′+2yp′+yp=2Ae−t=e−t⇒A=1/2y_p'' + 2y_p' + y_p = 2Ae^{-t} = e^{-t} \Rightarrow A = 1/2

yp=t22e−ty_p = \frac{t^2}{2}e^{-t}

Solution générale : y=(C1+C2t)e−t+t22e−t=(C1+C2t+t22)e−ty = (C_1 + C_2 t)e^{-t} + \frac{t^2}{2}e^{-t} = \left(C_1 + C_2 t + \frac{t^2}{2}\right)e^{-t}

CI : y(0)=C1=0⇒C1=0y(0) = C_1 = 0 \Rightarrow C_1 = 0

y′(t)=(C2+t−(C1+C2t+t22))e−ty'(t) = \left(C_2 + t - (C_1 + C_2 t + \frac{t^2}{2})\right)e^{-t}, y′(0)=C2−C1=C2=1y'(0) = C_2 - C_1 = C_2 = 1

Solution : y(t)=(t+t22)e−ty(t) = \left(t + \frac{t^2}{2}\right)e^{-t}

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Checkpoint

Pour y'' + y = e^t, quelle est la forme correcte de y_p ?

Application : circuit RLC et régimes

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Théorie

Le circuit RLC série (résistance RR, inductance LL, condensateur CC) vérifie l'EDO du second ordre :

L q¨+R q˙+1Cq=e(t)L\,\ddot{q} + R\,\dot{q} + \frac{1}{C}q = e(t)

où q(t)q(t) est la charge sur le condensateur et e(t)e(t) la tension source. En posant 2α=R/L2\alpha = R/L et ω02=1/(LC)\omega_0^2 = 1/(LC) :

q¨+2α q˙+ω02 q=e(t)L\ddot{q} + 2\alpha\,\dot{q} + \omega_0^2\,q = \frac{e(t)}{L}

L'équation caractéristique est r2+2αr+ω02=0r^2 + 2\alpha r + \omega_0^2 = 0, de discriminant Δ=α2−ω02\Delta = \alpha^2 - \omega_0^2.

Trois régimes selon Δ\Delta :

| Condition | Régime | Solution homogène | |---|---|---| | α>ω0\alpha > \omega_0 (Δ>0\Delta > 0) | Apériodique | qh=C1er1t+C2er2tq_h = C_1 e^{r_1 t} + C_2 e^{r_2 t}, r1,r2<0r_1, r_2 < 0 | | α=ω0\alpha = \omega_0 (Δ=0\Delta = 0) | Critique | qh=(C1+C2t)e−αtq_h = (C_1 + C_2 t)e^{-\alpha t} | | α<ω0\alpha < \omega_0 (Δ<0\Delta < 0) | Oscillatoire amorti | qh=e−αt(C1cos⁡ω1t+C2sin⁡ω1t)q_h = e^{-\alpha t}(C_1\cos\omega_1 t + C_2\sin\omega_1 t), ω1=ω02−α2\omega_1 = \sqrt{\omega_0^2 - \alpha^2} |

Le régime critique correspond au retour à l'équilibre le plus rapide sans oscillation — recherché dans les systèmes de freinage et d'amortissement.

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Circuit RLC — trois régimes avec rad/s

Conditions initiales : q(0)=1q(0) = 1, q˙(0)=0\dot{q}(0) = 0, pas d'alimentation (e=0e = 0).

Régime apériodique (α=3\alpha = 3) : r=−3±5r = -3 \pm \sqrt{5}, donc r1≈−0.76r_1 \approx -0.76, r2≈−5.24r_2 \approx -5.24.

q(t)=C1e−0.76 t+C2e−5.24 t(retour sans oscillation, lent)q(t) = C_1 e^{-0.76\,t} + C_2 e^{-5.24\,t} \quad \text{(retour sans oscillation, lent)}

Régime critique (α=2=ω0\alpha = 2 = \omega_0) : q(t)=(C1+C2t)e−2tq(t) = (C_1 + C_2 t)e^{-2t}.

CI : C1=1C_1 = 1, C2−2C1=0⇒C2=2C_2 - 2C_1 = 0 \Rightarrow C_2 = 2.

q(t)=(1+2t)e−2t(retour optimal, sans oscillation)q(t) = (1 + 2t)e^{-2t} \quad \text{(retour optimal, sans oscillation)}

Régime oscillatoire (α=1\alpha = 1) : ω1=4−1=3\omega_1 = \sqrt{4-1} = \sqrt{3}.

q(t)=e−t(C1cos⁡3 t+C2sin⁡3 t)(oscillations amorties)q(t) = e^{-t}(C_1\cos\sqrt{3}\,t + C_2\sin\sqrt{3}\,t) \quad \text{(oscillations amorties)}

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Checkpoint

Pour un circuit RLC avec , H, F (donc rad/s, ), quel est le régime ?

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Checkpoint

L'EDO a une solution particulière de la forme :

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À retenir

  • Solution générale = yhy_h (homogène) + ypy_p (particulière)
  • Coefficients indéterminés : deviner la forme de ypy_p selon f(t)f(t) — multiplier par tt en cas de résonance (par t2t^2 si racine double)
  • Variation de la constante : méthode universelle via le wronskien et le système de Lagrange
  • Conditions initiales : les appliquer à y=yh+ypy = y_h + y_p complet, pas seulement à yhy_h
  • Circuit RLC : q¨+2αq˙+ω02q=e(t)/L\ddot{q} + 2\alpha\dot{q} + \omega_0^2 q = e(t)/L — trois régimes : apériodique (α>ω0\alpha > \omega_0), critique (α=ω0\alpha = \omega_0, retour optimal), oscillatoire (α<ω0\alpha < \omega_0)
  • Résonance : si la forme proposée de ypy_p est solution de l'homogène → multiplier par tt (ou t2t^2 si racine double)
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