On a :
y′′′′(t)−ω4y(t)=0⟺y′′′′(t)−ω4y(t)+ω2y′′(t)−ω2y′′(t)=0Soit :
y′′′′(t)−ω2y′′(t)+ω2(−ω2y(t)+y′′(t))=0Soit encore :
(y′′(t)−ω2y(t))′′+ω2(−ω2y(t)+y′′(t))=0De même :
(y′′(t)−ω2y(t))′′+ω2(y′′(t)−ω2y(t))=0Posons alors
f(t)=y′′(t)−ω2y(t). Ainsi, on trouve que :
f′′(t)+ω2f(t)=0Il s'agit d'une équation différentielle linéaire, du deuxième ordre, homogène et à coefficients constants. Elle est bien connue des physiciens puisque c'est celle qui décrit un oscillateur harmonique de grandeur
f.
On note
i2=−1. L'équation caractéristique associée est :
r2+ω2=0⟺r2=−ω2⟺r2=i2ω2⟺r2=(iω)2Soit
r=±iω=0±iω∈COn a alors, avec
(a;b)∈R :
f(t)=asin(ωt)+bcos(ωt)On a alors l'équation :
y′′(t)−ω2y(t)=asin(ωt)+bcos(ωt)La solution homogène
yh(t) se déduit de l'équation caractéristique associée, à savoir :
r2−ω2=0⟺r2=ω2Soit
r=±ω∈R, donc
yh(t)=ceωt+de−ωt où
a et
b sont deux constantes réelles. Or, on sait que :
eωt=cosh(ωt)+sinh(ωt)ete−ωt=cosh(ωt)−sinh(ωt)Donc :
yh(t)=c(cosh(ωt)+sinh(ωt))+d(cosh(ωt)−sinh(ωt))Ainsi :
yh(t)=(c+d)cosh(ωt)+(c−d)sinh(ωt)On pose alors
C=c+d∈R et
D=c−d∈R, et de fait :
yh(t)=Ccosh(ωt)+Dsinh(ωt)Le second membre étant
asin(ωt)+bcos(ωt) donc la solution particulière sera de forme mathématique similaire. On a alors, avec
(A;B)∈R :
yp(t)=Acos(ωt)+Bsin(ωt)Ainsi la solution globale
y(t) est donnée par :
y(t)yh(t)+yp(t)Finalement, on trouve que :
y(t)=Ccosh(ωt)+Dsinh(ωt)+Acos(ωt)+Bsin(ωt)