درس Équations différentielles — الثانية باك علوم فيزيائية

درس «Équations différentielles» لتلاميذ الثانية باك علوم فيزيائية بالفرنسية والعربية: Généralités - Équation y’ = ay + b - Application physique - Équation y’’ + ay’ + by = 0 - Conditions initiales. Cours Équations différentielles — 2ème année Bac sciences physiques.

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Généralités

Définition

Une équation différentielle est une équation dont l’inconnue est une fonction $y$ de la variable $x$, et qui fait intervenir $y$ et ses dérivées $y'$, $y''$.

Résoudre l’équation sur $\mathbb{R}$, c’est déterminer toutes les fonctions dérivables (deux fois si besoin) qui la vérifient : ce sont ses solutions.

Exemple

La fonction $y(x)=e^{3x}$ est solution de $y'=3y$ : en effet $y'(x)=3e^{3x}=3y(x)$.

Équation $y'=ay+b$

Propriété Cas $b=0$ : $y'=ay$

Les solutions de $y'=ay$ ($a\in\mathbb{R}$) sont les fonctions :

$y(x)=ke^{ax}$ ; $k\in\mathbb{R}$

Propriété Cas général : $y'=ay+b$ avec $a\neq0$

Les solutions sont les fonctions :

$y(x)=ke^{ax}-\dfrac{b}{a}$ ; $k\in\mathbb{R}$

  • Pour tout couple $(x_0;y_0)$, il existe une unique solution vérifiant $y(x_0)=y_0$.

>> La fonction constante $x\mapsto-\dfrac{b}{a}$ est la solution particulière constante ($y'=0$).

Méthode Résoudre avec une condition initiale

1. On écrit l’équation sous la forme $y'=ay+b$ et on identifie $a$ et $b$ ;

2. on donne la solution générale $y(x)=ke^{ax}-\dfrac{b}{a}$ ;

3. on détermine $k$ grâce à la condition $y(x_0)=y_0$.

Exemple

Résoudre $y'+2y=4$, puis trouver la solution vérifiant $y(0)=1$.

$y'=-2y+4$ : $a=-2$, $b=4$ et $-\dfrac{b}{a}=2$ ; solutions : $y(x)=ke^{-2x}+2$, $k\in\mathbb{R}$.

$y(0)=1\iff k+2=1\iff k=-1$.

$y(x)=2-e^{-2x}$

Application : charge d’un condensateur

Application

Dans un circuit $RC$ alimenté par une tension constante $E$, la tension $u$ aux bornes du condensateur vérifie $u'+\dfrac{1}{\tau}u=\dfrac{E}{\tau}$ avec $\tau=RC$ et $u(0)=0$. Déterminer $u(t)$.

Réponse

$u'=-\dfrac{1}{\tau}u+\dfrac{E}{\tau}$ : $a=-\dfrac{1}{\tau}$ et $-\dfrac{b}{a}=E$ ; donc $u(t)=ke^{-\frac{t}{\tau}}+E$.

$u(0)=0\iff k+E=0\iff k=-E$.

$u(t)=E\left(1-e^{-\frac{t}{\tau}}\right)$

>> $\lim\limits_{t\to+\infty}u(t)=E$ : le condensateur se charge jusqu’à la tension $E$.

Équation $y''+ay'+by=0$

Définition

L’équation caractéristique de $(E)$ : $y''+ay'+by=0$ ($a,b\in\mathbb{R}$) est l’équation du second degré :

$r^2+ar+b=0$ ; $\Delta=a^2-4b$

>> Elle provient de la recherche de solutions de la forme $y=e^{rx}$ : $y''+ay'+by=\left(r^2+ar+b\right)e^{rx}$.

Propriété Solutions de $(E)$ ($\alpha,\beta\in\mathbb{R}$)

  • Si $\Delta>0$ : deux racines réelles $r_1$ et $r_2$ : $y(x)=\alpha e^{r_1x}+\beta e^{r_2x}$.
  • Si $\Delta=0$ : une racine double $r$ : $y(x)=(\alpha x+\beta)e^{rx}$.
  • Si $\Delta<0$ : deux racines complexes $p+iq$ et $p-iq$ : $y(x)=e^{px}\left(\alpha\cos(qx)+\beta\sin(qx)\right)$.

Exemple Les trois cas

$y''-3y'+2y=0$ : $r^2-3r+2=0$, $\Delta=1$, $r_1=1$, $r_2=2$.

$y(x)=\alpha e^{x}+\beta e^{2x}$

$y''+4y'+4y=0$ : $r^2+4r+4=(r+2)^2=0$, racine double $r=-2$.

$y(x)=(\alpha x+\beta)e^{-2x}$

$y''+2y'+5y=0$ : $\Delta=4-20=-16<0$, racines $-1+2i$ et $-1-2i$ ($p=-1$, $q=2$).

$y(x)=e^{-x}\left(\alpha\cos(2x)+\beta\sin(2x)\right)$

Cas particulier : $y''+\omega^2y=0$

Propriété

Pour $\omega>0$, l’équation caractéristique $r^2+\omega^2=0$ a pour racines $\pm i\omega$ ; les solutions sont :

$y(x)=\alpha\cos(\omega x)+\beta\sin(\omega x)$

>> On peut aussi écrire $y(x)=A\cos(\omega x+\varphi)$ : c’est l’équation de l’oscillateur harmonique (ressort, circuit $LC$) de période $T=\dfrac{2\pi}{\omega}$.

Solution vérifiant des conditions initiales

Propriété

Pour tous réels $x_0$, $y_0$ et $y_1$, l’équation $y''+ay'+by=0$ admet une unique solution vérifiant $y(x_0)=y_0$ et $y'(x_0)=y_1$.

Exemple

Résoudre $y''+4y=0$ avec $y(0)=1$ et $y'(0)=2$.

$\omega=2$ : $y(x)=\alpha\cos(2x)+\beta\sin(2x)$ et $y'(x)=-2\alpha\sin(2x)+2\beta\cos(2x)$.

$y(0)=\alpha=1$ et $y'(0)=2\beta=2$, donc $\beta=1$.

$y(x)=\cos(2x)+\sin(2x)=\sqrt{2}\cos\left(2x-\dfrac{\pi}{4}\right)$

Exemple

$y''-3y'+2y=0$ avec $y(0)=0$ et $y'(0)=1$ : $y=\alpha e^{x}+\beta e^{2x}$, $y'=\alpha e^{x}+2\beta e^{2x}$.

$\alpha+\beta=0$ et $\alpha+2\beta=1$, donc $\beta=1$ et $\alpha=-1$.

$y(x)=e^{2x}-e^{x}$

Erreur fréquente

  • Pour $y'=ay+b$, écrire $y=ke^{ax}+\dfrac{b}{a}$ : le signe est faux, c’est $-\dfrac{b}{a}$.
  • Pour $y'+2y=4$, prendre $a=2$ : il faut d’abord écrire $y'=-2y+4$.
  • Si $\Delta<0$, garder le $i$ dans la solution : $y$ est réelle, on utilise $p$ et $q$.

À retenir

  • $y'=ay+b$ ($a\neq0$) : $y=ke^{ax}-\dfrac{b}{a}$ ; $y'=ay$ : $y=ke^{ax}$.
  • $y''+ay'+by=0$ : $r^2+ar+b=0$ ; $\Delta>0$ : $\alpha e^{r_1x}+\beta e^{r_2x}$ ; $\Delta=0$ : $(\alpha x+\beta)e^{rx}$ ; $\Delta<0$ : $e^{px}\left(\alpha\cos qx+\beta\sin qx\right)$.

النسخة العربية

عموميات

تعريف

المعادلة التفاضلية معادلة مجهولها دالة $y$ للمتغير $x$، وتتضمن $y$ ومشتقتيها $y'$ و $y''$.

حل المعادلة على $\mathbb{R}$ هو تحديد جميع الدوال القابلة للاشتقاق (مرتين عند الحاجة) التي تحققها : إنها حلولها.

مثال

الدالة $y(x)=e^{3x}$ حل للمعادلة $y'=3y$ : فعلاً $y'(x)=3e^{3x}=3y(x)$.

المعادلة $y'=ay+b$

خاصية الحالة $b=0$ : $y'=ay$

حلول المعادلة $y'=ay$ ($a\in\mathbb{R}$) هي الدوال :

$y(x)=ke^{ax}$ ; $k\in\mathbb{R}$

خاصية الحالة العامة : $y'=ay+b$ مع $a\neq0$

الحلول هي الدوال :

$y(x)=ke^{ax}-\dfrac{b}{a}$ ; $k\in\mathbb{R}$

  • من أجل كل زوج $(x_0;y_0)$، يوجد حل وحيد يحقق $y(x_0)=y_0$.

>> الدالة الثابتة $x\mapsto-\dfrac{b}{a}$ هي الحل الخاص الثابت ($y'=0$).

طريقة الحل مع شرط بدئي

1. نكتب المعادلة على الشكل $y'=ay+b$ ونحدد $a$ و $b$ ؛

2. نعطي الحل العام $y(x)=ke^{ax}-\dfrac{b}{a}$ ؛

3. نحدد $k$ باستعمال الشرط $y(x_0)=y_0$.

مثال

حل المعادلة $y'+2y=4$، ثم حدد الحل الذي يحقق $y(0)=1$.

$y'=-2y+4$ : $a=-2$ و $b=4$ و $-\dfrac{b}{a}=2$ ؛ الحلول : $y(x)=ke^{-2x}+2$، $k\in\mathbb{R}$.

$y(0)=1\iff k+2=1\iff k=-1$.

$y(x)=2-e^{-2x}$

تطبيق : شحن مكثف

تطبيق

في دارة $RC$ مغذاة بتوتر ثابت $E$، يحقق التوتر $u$ بين مربطي المكثف $u'+\dfrac{1}{\tau}u=\dfrac{E}{\tau}$ مع $\tau=RC$ و $u(0)=0$. حدد $u(t)$.

جواب

$u'=-\dfrac{1}{\tau}u+\dfrac{E}{\tau}$ : $a=-\dfrac{1}{\tau}$ و $-\dfrac{b}{a}=E$ ؛ إذن $u(t)=ke^{-\frac{t}{\tau}}+E$.

$u(0)=0\iff k+E=0\iff k=-E$.

$u(t)=E\left(1-e^{-\frac{t}{\tau}}\right)$

>> $\lim\limits_{t\to+\infty}u(t)=E$ : يُشحن المكثف حتى التوتر $E$.

المعادلة $y''+ay'+by=0$

تعريف

المعادلة المميزة للمعادلة $(E)$ : $y''+ay'+by=0$ ($a,b\in\mathbb{R}$) هي المعادلة من الدرجة الثانية :

$r^2+ar+b=0$ ; $\Delta=a^2-4b$

>> تنتج عن البحث عن حلول على الشكل $y=e^{rx}$ : $y''+ay'+by=\left(r^2+ar+b\right)e^{rx}$.

خاصية حلول $(E)$ ($\alpha,\beta\in\mathbb{R}$)

  • إذا كان $\Delta>0$ : جذران حقيقيان $r_1$ و $r_2$ : $y(x)=\alpha e^{r_1x}+\beta e^{r_2x}$.
  • إذا كان $\Delta=0$ : جذر مزدوج $r$ : $y(x)=(\alpha x+\beta)e^{rx}$.
  • إذا كان $\Delta<0$ : جذران عقديان $p+iq$ و $p-iq$ : $y(x)=e^{px}\left(\alpha\cos(qx)+\beta\sin(qx)\right)$.

مثال الحالات الثلاث

$y''-3y'+2y=0$ : $r^2-3r+2=0$ و $\Delta=1$ و $r_1=1$ و $r_2=2$.

$y(x)=\alpha e^{x}+\beta e^{2x}$

$y''+4y'+4y=0$ : $r^2+4r+4=(r+2)^2=0$، جذر مزدوج $r=-2$.

$y(x)=(\alpha x+\beta)e^{-2x}$

$y''+2y'+5y=0$ : $\Delta=4-20=-16<0$، الجذران $-1+2i$ و $-1-2i$ ($p=-1$ و $q=2$).

$y(x)=e^{-x}\left(\alpha\cos(2x)+\beta\sin(2x)\right)$

حالة خاصة : $y''+\omega^2y=0$

خاصية

من أجل $\omega>0$، جذرا المعادلة المميزة $r^2+\omega^2=0$ هما $\pm i\omega$ ؛ والحلول هي :

$y(x)=\alpha\cos(\omega x)+\beta\sin(\omega x)$

>> يمكن أيضاً كتابة $y(x)=A\cos(\omega x+\varphi)$ : إنها معادلة المتذبذب التوافقي (نابض، دارة $LC$) ذي الدور $T=\dfrac{2\pi}{\omega}$.

الحل الذي يحقق شروطاً بدئية

خاصية

من أجل جميع الأعداد الحقيقية $x_0$ و $y_0$ و $y_1$، تقبل المعادلة $y''+ay'+by=0$ حلاً وحيداً يحقق $y(x_0)=y_0$ و $y'(x_0)=y_1$.

مثال

حل المعادلة $y''+4y=0$ مع $y(0)=1$ و $y'(0)=2$.

$\omega=2$ : $y(x)=\alpha\cos(2x)+\beta\sin(2x)$ و $y'(x)=-2\alpha\sin(2x)+2\beta\cos(2x)$.

$y(0)=\alpha=1$ و $y'(0)=2\beta=2$، إذن $\beta=1$.

$y(x)=\cos(2x)+\sin(2x)=\sqrt{2}\cos\left(2x-\dfrac{\pi}{4}\right)$

مثال

$y''-3y'+2y=0$ مع $y(0)=0$ و $y'(0)=1$ : $y=\alpha e^{x}+\beta e^{2x}$ و $y'=\alpha e^{x}+2\beta e^{2x}$.

$\alpha+\beta=0$ و $\alpha+2\beta=1$، إذن $\beta=1$ و $\alpha=-1$.

$y(x)=e^{2x}-e^{x}$

خطأ شائع

  • بالنسبة لـ $y'=ay+b$، كتابة $y=ke^{ax}+\dfrac{b}{a}$ : الإشارة خاطئة، إنها $-\dfrac{b}{a}$.
  • بالنسبة لـ $y'+2y=4$، أخذ $a=2$ : يجب أولاً كتابة $y'=-2y+4$.
  • إذا كان $\Delta<0$، إبقاء $i$ في الحل : $y$ حقيقية، نستعمل $p$ و $q$.

للحفظ

  • $y'=ay+b$ ($a\neq0$) : $y=ke^{ax}-\dfrac{b}{a}$ ؛ $y'=ay$ : $y=ke^{ax}$.
  • $y''+ay'+by=0$ : $r^2+ar+b=0$ ؛ $\Delta>0$ : $\alpha e^{r_1x}+\beta e^{r_2x}$ ؛ $\Delta=0$ : $(\alpha x+\beta)e^{rx}$ ؛ $\Delta<0$ : $e^{px}\left(\alpha\cos qx+\beta\sin qx\right)$.

فنفس الدرس

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