Une équation cinétique forcée sinusoïdalement - Exercice 1
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En Physique, une EDO du premier ordre est associée à des effets cinétiques. En voici un exemple dans lequel la cinétique est guidée (on dit également forcée) par une excitation sinusoïdale.
Question 1
Soit B, Ae et ωe trois constantes réelles et strictement positives. On considère l'équation différentielle ordinaire suivante : dxdf(x)+Bf(x)=Aesin(ωex)
Déterminer la solution homogène fH
Correction
La solution homogène fH est donnée par : fH(x)=Ke−Bx(K∈R)
Question 2
Déterminer la solution particulière fP.
Correction
La solution particulière fP est de la forme : fP(x)=αcos(ωex)+βsin(ωex)((α;β)∈R2) Donc : dxdfP(x)=−αωesin(ωex)+βωecos(ωex)((α;β)∈R2) L'EDO devient alors : −αωesin(ωex)+βωecos(ωex)+Bαcos(ωex)+Bβsin(ωex)=Aesin(ωex) Dès lors, on a alors : (Bβ−αωe)sin(ωex)+(Bα+βωe)cos(ωex)=Aesin(ωex)+0cos(ωex) Ce qui nous donne : ⎩⎨⎧Bβ−αωeBα+βωe==Ae0⟺⎩⎨⎧Bβ−αωeβ==Ae−ωeBα Donc : −BωeBα−αωe=Ae⟺B2ωeα+αωe=−Ae⟺α(ωeB2+ωe)=−Ae Ce qui nous donne : α(ωeB2+ωe2)=−Ae⟺α=−B2+ωe2Aeωe On en déduit immédiatement que : β=−ωeBα=−ωeB×−B2+ωe2Aeωe=B2+ωe2AeB La solution particulière est donc donnée par : fP(x)=−B2+ωe2Aeωecos(ωex)+B2+ωe2AeBsin(ωex) A savoir : fP(x)=B2+ωe2Ae(−ωecos(ωex)+Bsin(ωex))
Question 3
Déterminer la solution générale f de cette EDO.
Correction
La solution générale f de cette EDO linéaire est donnée par : f(x)=fH(x)+fP(x) Ce qui nous donne : f(x)=Ke−Bx+B2+ωe2Ae(−ωecos(ωex)+Bsin(ωex))(K∈R)
Question 4
On pose B=3, Ae=6 et ωe=1. Déterminer la solution f qui correspond à la condition initiale f(x=0)=0.
Correction
La condition initiale est f(x=0)=0. Donc : Ke−B0+B2+ωe2Ae(−ωecos(ωe0)+Bsin(ωe0))=0 Soit : K+B2+ωe2Ae(−ωe+0)=0⟺K−B2+ωe2Aeωe=0⟺K=B2+ωe2Aeωe D'où : f(x)=B2+ωe2Aeωee−Bx+B2+ωe2Ae(−ωecos(ωex)+Bsin(ωex)) Ainsi : Ce qui nous donne : f(x)=B2+ωe2Ae(ωe(e−Bx−cos(ωex))+Bsin(ωex)) Finalement, on pose B=3, Ae=6 et ωe=1. On a alors la solution suivante : f(x)=23(e−3x−cos(x)+3sin(x)) Il est possible d'écrire ceci autrement. En effet : −cos(x)+3sin(x)=2(−21cos(x)+2sin(x)3)=2sin(x−6π) Ce qui nous donne donc : f(x)=23(e−3x+2sin(x−6π))