Nous proposons, au travers de cet exercice, de résoudre une équation différentielle linéaire qui intervient lors de certaines modélisations physique, et tout particulièrement en mécanique.
Question 1
Soit m, k, ω et V quatre nombres réels strictement positifs. On considère l'équation différentielle linéaire (E) suivante : (E):mv′(t)+kv(t)=Vcos(ωt) On notera par (E1) l'équation l'équation différentielle sans second membre : (E1):mv′(t)+kv(t)=0 La condition initiale est v(t=0)=V0∈R.
Résoudre l'équation différentielle sans second membre (E1).
Correction
L'équation différentielle sans second membre (E1) est : (E1):mv′(t)+kv(t)=0 En notant par vssm la solution, on obtient : mvssm′(t)+kvssm(t)=0 Soit : vssm(t)vssm′(t)=−mk En primitivant, on trouve que : ln(vssm(t))=−mkt+K(K∈R) Soit encore : vssm(t)=e−mkt+K⟺vssm(t)=e−mkt×ek En posant C=ek∈R, on trouve que : vssm(t)=Ce−mkt
Question 2
Déterminer une solution particulière vp, de l'équation (E1), sous la forme : vp(t)=Acos(ωt)+Bsin(ωt) où A et B sont deux nombres réels à déterminer.
Correction
Si la solution particulière vp, de l'équation (E1), est de la forme vp(t)=Acos(ωt)+Bsin(ωt) alors on en déduit que vp′(t)=−Aωsin(ωt)+Bωcos(ωt). Ainsi, l'équation (E) devient : mvp′(t)+kvp(t)=Vcos(ωt) Donc : m(−Aωsin(ωt)+Bωcos(ωt))+k(Acos(ωt)+Bsin(ωt))=Vcos(ωt) Soit : mω(−Asin(ωt)+Bcos(ωt))+kAcos(ωt)+kBsin(ωt)=Vcos(ωt) Soit encore : (Bmω+kA)cos(ωt)+(−Amω+kB)sin(ωt)=Vcos(ωt)+0sin(ωt) En identifiant les termes devant les sinus et cosinus, de part et d'autre du signe =, on trouve que : ⎩⎨⎧Bmω+kA−Amω+kB==V0 Donc A=mωkB, et de fait : Bmω+kmωkB=V⟺B(mωm2ω2+k2)=V⟺B=m2ω2+k2mωV Ainsi, on en déduit que : A=mωkB=mωk×m2ω2+k2mωV D'où : A=m2ω2+k2kV De ceci, on peut donc écrire la solution particulière vp est de la forme : vp(t)=m2ω2+k2kVcos(ωt)+m2ω2+k2mωVsin(ωt) Finalement, on obtient : vp(t)=m2ω2+k2V(kcos(ωt)+mωsin(ωt))
Question 3
Résoudre l'équation différentielle (E).
Correction
L'équation (E) étant linéaire, la solution globale v s'exprime donc comme la somme de vssm et de vp. On a alors : v(t)=vssm(t)+vp(t) Soit : v(t)=Ce−mkt+m2ω2+k2V(kcos(ωt)+mωsin(ωt))(C∈R)
Question 4
Déterminer la solution qui satisfait à la condition initiale indiquée initialement.
Correction
La condition initiale est v(t=0)=V0∈R. Donc : v(t=0)=Ce−mk×0+m2ω2+k2V(kcos(ω×0)+mωsin(ω×0))(C∈R) Soit : V0=Ce0+m2ω2+k2V(kcos(0)+mωsin0))(C∈R) Ainsi : V0=C+m2ω2+k2V(k+0)(C∈R) Dès lors : C=V0−m2ω2+k2V On en déduit alors que : v(t)=(V0−m2ω2+k2V)e−mkt+m2ω2+k2V(kcos(ωt)+mωsin(ωt)) Finalement : v(t)=V0e−mkt+m2ω2+k2V(kcos(ωt)+mωsin(ωt)−e−mkt)