Soit x, y et z trois fonctions réelles, de la variable temporelle t. C'est trois fonctions réelles vérifient le système, noté S, d'équations différentielles du premier ordre suivant : S:⎩⎨⎧x′y′z′===5x3xx−++y4yy++9zz
Donner une écriture matricielle à ce système S en faisant apparaître une matrice 3×3 que nous noterons M. Cette matrice est exprimée dans une base B.
Correction
Le système différentiel S s'écrit comme : ⎝⎛x′y′z′⎠⎞=⎝⎛531−141901⎠⎞⎝⎛xyz⎠⎞ On adopte alors la notation suivante : XB=⎝⎛xyz⎠⎞⟹dtdXB=⎝⎛x′y′z′⎠⎞ Dans ce cas, le système S prend la forme suivante : dtdXB=MXB Avec : M=⎝⎛531−141901⎠⎞
Question 2
Déterminer le polynôme caractéristique PM associé à cette matrice M.
Correction
Soit λ un réel. Le polynôme caractéristique PM de M est donné par : PM(λ)=∣∣5−λ31−14−λ1901−λ∣∣ Ce qui nous donne : PM(λ)=(−1)3(λ−1)(λ−2)(λ−7)
Question 3
En déduire les valeurs propres de M.
Correction
Ainsi le spectre de M est donné par : SpR(M)={1;2;7}
Question 4
Justifier que M est diagonalisable.
Correction
On constate que le spectre est constitué de valeurs propres non dégénérée, donc toutes différentes. Ainsi la matrice M est diagonalisable (réductible).
Question 5
Déterminer les vecteurs propres associés.
Correction
Les valeurs propres associées à M sont : ∙λ=1 de multiplicité (ou dégénérescence) 1 ; ∙∙λ=2 de multiplicité (ou dégénérescence) 1 ; ∙∙∙λ=7 de multiplicité (ou dégénérescence) 1. Notons par : ∙E1 le sous espace propre associé à la valeur propre 1 et dimE1=1 ; ∙∙E2 le sous espace propre associé à la valeur propre 2 et dimE2=1 ; ∙∙∙E7 le sous espace propre associé à la valeur propre 7 et dimE7=1. Soit (a;b;c)∈R3. On note V le vecteur suivant : V=⎝⎛abc⎠⎞
∙ Le vecteur V appartient au sous espace E1 si : (A−1I3)V=O3 Soit encore : ⎝⎛5−131−14−11901−1⎠⎞⎝⎛abc⎠⎞=⎝⎛000⎠⎞ D'où : ⎝⎛431−131900⎠⎞⎝⎛abc⎠⎞=⎝⎛000⎠⎞ Ce qui nous donne : ⎩⎨⎧4a3aa−++b3bb+9c===000 Soit a=−b, d'où : 4a−(−a)+9c=0⟺4a+a+9c=0⟺5a+9c=0 Donc : b=−aetc=−95a On peut donc écrire : V=⎝⎛a−a−95a⎠⎞=−9a⎝⎛−995⎠⎞ En posant k=−9a∈R, on trouve que : V=k⎝⎛−995⎠⎞⟹E1=Vect⎩⎨⎧⎝⎛−995⎠⎞⎭⎬⎫ Donc un vecteur propre possible est : V1=⎝⎛−995⎠⎞ ∙∙ Le vecteur V appartient au sous espace E2 si : (A−2I3)V=O3 Soit encore : ⎝⎛5−231−14−21901−2⎠⎞⎝⎛abc⎠⎞=⎝⎛000⎠⎞ D'où : ⎝⎛331−12190−1⎠⎞⎝⎛<br/>abc⎠⎞=⎝⎛000⎠⎞ Ce qui nous donne : ⎩⎨⎧3a3aa−++b2bb+−9cc===000 Soit b=−23a, d'où : a+(−23a)−c=0⟺a−23a=c⟺−21a=c Donc : b=−23aetc=−21a On peut donc écrire : V=⎝⎛a−23a−21a⎠⎞=−21a⎝⎛−231⎠⎞ En posant k=−91a∈R, on trouve que : V=k⎝⎛−231⎠⎞⟹E2=Vect⎩⎨⎧⎝⎛−231⎠⎞⎭⎬⎫ Donc un vecteur propre possible est : V2=⎝⎛−231⎠⎞ ∙∙∙ Le vecteur V appartient au sous espace E7 si : (A−7I3)V=O3 Soit encore : ⎝⎛5−731−14−71901−7⎠⎞⎝⎛<br/>abc⎠⎞=⎝⎛000<br/>⎠⎞ D'où : ⎝⎛−231−1−3190−6⎠⎞⎝⎛abc⎠⎞=⎝⎛000⎠⎞ Ce qui nous donne : ⎩⎨⎧−2a3aa−−+b3bb+−9c6c===000 Soit b=a, d'où : a+a−6c=0⟺2a−6c=0⟺a−3c=0⟺c=31a Donc : b=aetc=31a On peut donc écrire : V=⎝⎛aa31a⎠⎞=31a⎝⎛331⎠⎞ En posant k=31a∈R, on trouve que : V=k⎝⎛331⎠⎞⟹E7=Vect⎩⎨⎧⎝⎛331⎠⎞⎭⎬⎫ Donc un vecteur propre possible est : V7=⎝⎛331⎠⎞
Question 6
Déterminer une base Bp de vecteurs propres.
Correction
On a : det{V1;V2;V7}=det⎝⎛−995−231331⎠⎞=−30=0 Donc l'ensemble des trois vecteurs {V1;V2;V7} forme unebasepropreBp. Ainsi, lamatriceMestdiagonalisable.
Question 7
Donner l'expression de la matrice de passage PB⟶Bp.
Correction
Dans la base propre, la matrice D est diagonale et est (par exemple) : D=⎝⎛100020007⎠⎞ La matrice de passage associée est alors : PB⟶Bp=⎝⎛−995−231331⎠⎞
Question 8
En déduire les solutions générales x, y et z recherchées.
Correction
Dans la base propre, le système S s'écrit : dtdXBp=DXBp Soit : ⎝⎛xBp′yBp′zBp′⎠⎞=⎝⎛100020007⎠⎞⎝⎛xBpyBpzBp⎠⎞ Ce qui nous donne : ⎩⎨⎧xBp′yBp′zBp′===1xBp2yBp7zBp Dont les solutions sont : ⎩⎨⎧xBpyBpzBp===C1e1tC2e2tC7e7tavec:(C1;C2;C7)∈R3 Ce qui nous permet d'écrire que : XBp=⎝⎛C1etC2e2tC7e7t⎠⎞ Il nous faut maintenant transporter cette solution dans la base B de départ. Pour cela, on utilise la relation suivante : XB=PB⟶BpXBp Ce qui nous donne encore : ⎝⎛x(t)y(t)z(t)⎠⎞=⎝⎛−995−231331⎠⎞⎝⎛C1etC2e2tC7e7t⎠⎞ D'où : ⎝⎛x(t)y(t)z(t)⎠⎞=⎝⎛−9C1et−2C2e2t+3C7e7t9C1et+3C2e2t+3C7e7t5C1et+1C2e2t+1C7e7t⎠⎞ Finalement : ⎩⎨⎧x(t)y(t)z(t)===−9C1et−2C2e2t+3C7e7t9C1et+3C2e2t+3C7e7t5C1et+1C2e2t+1C7e7t
Question 9
A l'instant initial t=0, on a les trois conditions initiales suivantes : ⎩⎨⎧x(t=0)y(t=0)z(t=0)===120 Déterminer les expressions de x, y et z qui satisfont à ces conditions initiales.
Correction
Les conditions initiales sont : ⎩⎨⎧x(t=0)y(t=0)z(t=0)===120 Soit encore, avec e0=1 : ⎩⎨⎧−9C1−2C2+3C79C1+3C2+3C75C1+1C2+1C7===120 Sous forme matricielle, ce système s'écrit encore : ⎝⎛−995−231331⎠⎞⎝⎛C1C2C7⎠⎞=⎝⎛120⎠⎞ Or, on a : ∣∣−995−231331∣∣=−30 Ce qui implique, par la méthode de Cramer : x(t)=−30∣∣120−231331∣∣y(t)=−30∣∣−995120331∣∣z(t)=−30∣∣−995−231120∣∣ Ainsi, on obtient : C1=−3010=−31C2=−30−42=57C7=−30−8=154 On peut donc écrire que : ⎩⎨⎧x(t)y(t)z(t)===−9×(−31)×et−2×57×e2t+3×154×e7t9×(−31)×et+3×57×e2t+3×154×e7t5×(−31)×et+1×57×e2t+1×154×e7t Finalement, après calculs et simplifications, on trouve les solutions du système différentiel S qui satisfont aux conditions initiales données, à savoir : ⎩⎨⎧x(t)y(t)z(t)===3et−514e2t+54e7t−3et+521e2t+54e7t−35et+57e2t+154e7t