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## Exercice 1
Résoudre les équations différentielles homogènes suivantes :
1. $y'' - 7y' + 6y = 0$
2. $y'' - 6y' + 9y = 0$
3. $y'' + 4y = 0$
## Exercice 2
Résoudre les problèmes de Cauchy suivants :
1. $y'' + 2y' - 3y = x$ avec $y(0) = 1$, $y'(0) = 0$
2. $y'' - 5y' + 6y = e^{2x}$ avec $y(0) = 0$, $y'(0) = 1$
3. $y''-4y'+3y=(2x+1)e^x$ avec $y(0) = 0$, $y'(0) = 1$
## Exercice 3
Résoudre l'équation différentielle suivante :
$y''+y'+y=\sin^2(x)$
*Indice :* Linéariser $\sin^2(x)$.
## Exercice 4
Déterminer les fonctions $y,z:\mathbb{R}\rightarrow\mathbb{R}$ dérivables et qui vérifient le système suivant :
$\begin{cases}
y'-y&=&z\\
z'+z&=&3y
\end{cases}$
# Corrigés détaillés
## Correction Exercice 1
> [!example] Question 1.1 — Résoudre $y'' - 7y' + 6y = 0$
>
> **Nature :** EDO homogène ($d(x) = 0$). Équation caractéristique : $r^2 - 7r + 6 = 0$.
>
> **Discriminant :** $\Delta = (-7)^2 - 4 \times 1 \times 6 = 49 - 24 = 25 > 0$
>
> **Deux racines réelles distinctes :** $r_1 = \frac{7 - \sqrt{25}}{2} = \frac{7 - 5}{2} = 1, \qquad r_2 = \frac{7 + \sqrt{25}}{2} = \frac{7 + 5}{2} = 6$
>
> **Solution générale :** $y(x) = K_1 e^{x} + K_2 e^{6x}, \qquad (K_1, K_2) \in \mathbb{R}^2$
> [!example] Question 1.2 — Résoudre $y'' - 6y' + 9y = 0$
>
> **Nature :** EDO homogène. Équation caractéristique : $r^2 - 6r + 9 = 0$.
>
> **Discriminant :** $\Delta = (-6)^2 - 4 \times 1 \times 9 = 36 - 36 = 0$
>
> **Racine double :** $r = \frac{6}{2 \times 1} = 3$
>
> **Solution générale :** $y(x) = (K_1 x + K_2) \cdot e^{3x}, \qquad (K_1, K_2) \in \mathbb{R}^2$
> [!example] Question 1.3 — Résoudre $y'' + 4y = 0$
>
> **Nature :** EDO homogène. Équation caractéristique : $r^2 + 4 = 0$.
>
> **Discriminant :** $\Delta = 0 - 4 \times 1 \times 4 = -16 < 0$
>
> **Racines complexes conjuguées :** $r = \pm 2i$, soit $\alpha = 0$ et $\beta = 2$.
>
> **Solution générale :** $y(x) = K_1\cos(2x) + K_2\sin(2x), \qquad (K_1, K_2) \in \mathbb{R}^2$
## Correction Exercice 2
> [!example] Question 2.1 — Résoudre $y'' + 2y' - 3y = x$ avec $y(0) = 1$, $y'(0) = 0$
> **Solution homogène**
> Équation caractéristique : $r^2 + 2r - 3 = 0$.
>
> Discriminant : $\Delta = 4 + 12 = 16 > 0$
>
> Racines : $r_1 = \frac{-2 - 4}{2} = -3, \qquad r_2 = \frac{-2 + 4}{2} = 1$
>
> Solution homogène : $y_h(x) = K_1 e^{-3x} + K_2 e^{x}, \qquad (K_1, K_2) \in \mathbb{R}^2$
>**Solution particulière**
> Si $y_p(x) = ax + b$, alors $y'_p = a$ et $y''_p = 0$. On substitue dans l'équation : $0 + 2a - 3(ax + b) = x$ $-3ax + (2a - 3b) = x$
>
> Identification des coefficients : $ -3a = 1 $
> $ 2a - 3b = 0 $
> $ \Rightarrow a = -\dfrac{1}{3} , b = \dfrac{2a}{3} = -\dfrac{2}{9}$
> Solution particulière : $y_p(x) = -\frac{x}{3} - \frac{2}{9}$
> **Solution générale :** $y(x) = K_1 e^{-3x} + K_2 e^{x} - \frac{x}{3} - \frac{2}{9}$
>
> **Application des conditions initiales :**
>
> $y(0) = 1$ : $K_1 + K_2 - \frac{2}{9} = 1 \Rightarrow K_1 + K_2 = \frac{11}{9}$
>
> On dérive : $y'(x) = -3K_1 e^{-3x} + K_2 e^{x} - \dfrac{1}{3}$
>
> $y'(0) = 0$ : $-3K_1 + K_2 - \frac{1}{3} = 0 \Rightarrow -3K_1 + K_2 = \frac{1}{3}$
>
> Résolution du système :$\begin{cases} K_1 + K_2 = \dfrac{11}{9}\\-3K_1 + K_2 = \dfrac{1}{3}\end{cases}$ En soustrayant la seconde de la première : $4K_1 = \frac{11}{9} - \frac{3}{9} = \frac{8}{9} \Rightarrow K_1 = \frac{2}{9}, \quad K_2 = \frac{11}{9} - \frac{2}{9} = 1$
>
> **Solution unique :** $\boxed{y(x) = \frac{2}{9}e^{-3x} + e^{x} - \frac{x}{3} - \frac{2}{9}}$
> [!example] Question 2.2 — Résoudre $y'' - 5y' + 6y = e^{2x}$ avec $y(0) = 0$, $y'(0) = 1$
> **Solution homogène**
> Équation caractéristique : $r^2 - 5r + 6 = 0$.
>
> Discriminant : $\Delta = 25 - 24 = 1 > 0$
>
> Racines : $r_1 = \frac{5 - 1}{2} = 2, \qquad r_2 = \frac{5 + 1}{2} = 3$
>
>Solution homogène : $y_h(x) = K_1 e^{2x} + K_2 e^{3x}, \qquad (K_1, K_2) \in \mathbb{R}^2$
**Solution particulière**
$\alpha = 2$ est une racine simple de l'équation caractéristique ($r_1 = 2$). La forme naturelle $Ae^{2x}$ appartient à $y_h$ et ne peut donc pas servir d'ansatz. On multiplie par $x$, ce qui conduit à chercher $y_p(x) = Axe^{2x}$.
>
> Calcul des dérivées : $y'_p(x) = (A+2Ax)\cdot e^{2x}$ $y''_p(x) =(4A+4Ax)e^{2x}$
>
> Substitution : $(4A+4Ax)e^{2x} - 5(A+2Ax)e^{2x} + 6(Ax)e^{2x} = e^{2x}$
> Après simplification : $A=-1$
> Solution particulière : $y_p(x) = -x \cdot e^{2x}$
> **Solution générale :** $y(x) = K_1 e^{2x} + K_2 e^{3x} - x\cdot e^{2x}$
>
> **Application des conditions initiales :**
>
> $y(0) = 0$ : $K_1 + K_2 = 0 \Rightarrow K_1 = -K_2$
>
> On dérive : $y'(x) = 2K_1 e^{2x} + 3K_2 e^{3x} - e^{2x}+2xe^{2x}$
>
> $y'(0) = 1$ : $2K_1 + 3K_2 - 1 = 1 \Rightarrow 2K_1 + 3K_2 = 2$
>
> En substituant $K_1 = -K_2$ : $-2K_2 + 3K_2 = 2 \Rightarrow K_2 = 2$, $K_1 = -2$.
>
> **Solution unique :** $\boxed{y(x) = -2e^{2x} + 2e^{3x} - x\cdot e^{2x}}$
>[!example] Question 2.3 — $y''-4y'+3y=(2x+1)e^x$ avec $y(0) = 0$, $y'(0) = 1$
>**Solution homogène**
> Équation caractéristique : $r^2 - 4r + 3 = 0$.
>
> Discriminant : $\Delta = 16 - 12 = 4 > 0$
>
> Racines : $r_1 = \frac{4 - 2}{2} = 1, \qquad r_2 = \frac{4 + 2}{2} = 3$
>
>Solution homogène : $y_h(x) = K_1 e^{x} + K_2 e^{3x}, \qquad (K_1, K_2) \in \mathbb{R}^2$
**Solution particulière**
Le second membre est $(2x+1)e^x$. $\alpha = 1$ est une racine simple de l'équation caractéristique ($r_1 = 1$). La forme naturelle $(Ax+B)e^{x}$ appartient à $y_h$ et ne peut donc pas servir d'ansatz. On multiplie par $x$, ce qui conduit à chercher $y_p(x) =x(Ax+B)e^{x}=(Ax^2+Bx)e^{x}.$ Calcul des dérivées :$y'_p=(2xA+B)e^x+(Ax^2+Bx)e^x=(Ax^2+(2A+B)x+B)e^x$ et $y''_p(x)=(2Ax+(2A+B))e^x+(Ax^2+(2A+B)x+B)e^x=(Ax^2+(4A+B)x+2A+2B)e^x $
Après substitution et simplification : $-4Ax+(2A-2B)=2x+1$
Par identification : $\begin{cases}-4A=2\\
2A-2B=1
\end{cases}$
On trouve alors que $A=-1/2$ et $B=-1$.
La solution particulière est $y_p(x)=\big(-\frac{1}{2}x^2 -x\big)e^x$
**Solution générale :**
$y(x)=y_h+y_p=K_1 e^{x} + K_2 e^{3x}+\big(-\frac{1}{2}x^2 -x\big)e^x$
**Application des conditions initiales**
$y(0)=0\implies K_1+K_2=0\implies K_1=-K_2$
Dérivée : $y'(x)=K_1e^x+3K_2e^{3x}+(-x-1)e^x+\big(-\frac{1}{2}x^2 -x\big)e^x$. Or, $y'(0)=0$ alors $K_1+3K_2-1=0\implies -K_2+3K_2-1=0\implies K_2=\frac{1}{2}\implies K_1=-\frac12$
**Solution unique** $ \boxed{y=-\frac12 e^{x} + \frac12 e^{3x}+\big(-\frac{1}{2}x^2 -x\big)e^x}$
## Correction Exercice 3
Pour résoudre cette équation, on utilise la formule de trigonométrie : $\sin^2(x) = \frac{1 - \cos(2x)}{2}$.
L'équation devient :
$y'' + y' + y = \frac{1}{2} - \frac{1}{2}\cos(2x)$
### Résolution de l'équation homogène ($y'' + y' + y = 0$)
On cherche l'équation caractéristique :
$r^2 + r + 1 = 0$
Calcul du discriminant $\Delta$ :
$\Delta = 1^2 - 4(1)(1) = -3$
Comme $\Delta < 0$, les racines sont complexes :
$r = \frac{-1 \pm i\sqrt{3}}{2} = -\frac{1}{2} \pm i\frac{\sqrt{3}}{2}$
La solution homogène est donc :
$y_h(x) = e^{-\frac{1}{2}x} \left[ C_1 \cos\left(\frac{\sqrt{3}}{2}x\right) + C_2 \sin\left(\frac{\sqrt{3}}{2}x\right) \right]$
### Recherche d'une solution particulière ($y_p$)
Par le principe de superposition, on cherche $y_p = y_{p1} + y_{p2}$.
#### Pour le second membre $d_1(x) = \frac{1}{2}$ :
On cherche une solution constante $y_{p1} = A$.
En remplaçant dans l'équation ($y' = 0$ et $y'' = 0$) :
$0 + 0 + A = \frac{1}{2} \implies y_{p1} = \frac{1}{2}$
#### Pour le second membre $d_2(x) = -\frac{1}{2}\cos(2x)$ :
On cherche une solution de la forme $y_{p2} = B \cos(2x) + C \sin(2x)$.
Calculons les dérivées :
- $y_{p2}' = -2B \sin(2x) + 2C \cos(2x)$
- $y_{p2}'' = -4B \cos(2x) - 4C \sin(2x)$
On injecte dans $y'' + y' + y = -\frac{1}{2}\cos(2x)$ :
$(-4B\cos 2x - 4C\sin 2x) + (-2B\sin 2x + 2C\cos 2x) + (B\cos 2x + C\sin 2x) = -\frac{1}{2}\cos 2x$
Regroupons les termes :
- **Pour $\cos(2x)$ :** $-4B + 2C + B = -1/2 \implies -3B + 2C = -1/2$
- **Pour $\sin(2x)$ :** $-4C - 2B + C = 0 \implies -2B - 3C = 0 \implies B = -1,5C$
Substitution dans la première ligne :
$-3(-1,5C) + 2C = -1/2 \implies 4,5C + 2C = -1/2 \implies 6,5C = -1/2$
$C = -\frac{1}{13} \quad \text{et} \quad B = -1,5 \times \left(-\frac{1}{13}\right) = \frac{3}{26}$
On a donc : $y_{p2}(x) = \frac{3}{26}\cos(2x) - \frac{1}{13}\sin(2x)$.
### Solution Générale
La solution complète est la somme de la solution homogène et des solutions particulières :
$y(x) = e^{-\frac{x}{2}} \left[ C_1 \cos\left(\frac{\sqrt{3}}{2}x\right) + C_2 \sin\left(\frac{\sqrt{3}}{2}x\right) \right] + \frac{1}{2} + \frac{3}{26}\cos(2x) - \frac{1}{13}\sin(2x)$
avec $C_1, C_2 \in \mathbb{R}$.
## Correction Exercice 4
### Transformer le système en une équation du second degré
L'objectif est d'éliminer une des deux fonctions pour n'avoir qu'une seule équation à résoudre.
D'après l'équation $(1)$, on peut exprimer $z$ en fonction de $y$ :
$z = y' - y$
En dérivant cette expression par rapport à $x$, on obtient $z'$ :
$z' = y'' - y'$
Substitution dans la deuxième équation
Remplaçons maintenant $z$ et $z'$ dans l'équation $(2)$ par les expressions trouvées ci-dessus :
$(y'' - y') + (y' - y) = 3y$
Simplifions l'équation :
$y'' - y = 3y$
$y'' - 4y = 0$
Il s'agit d'une équation différentielle linéaire du second ordre à coefficients constants.
### Résolution de l'équation en $y$
On cherche l'équation caractéristique associée :
$r^2 - 4 = 0 \implies r^2 = 4$
Les racines sont :
$r_1 = 2 \quad \text{et} \quad r_2 = -2$
La solution générale pour $y(x)$ est donc :
$y(x) = C_1 e^{2x} + C_2 e^{-2x}$
avec $C_1, C_2 \in \mathbb{R}$
### Détermination de la fonction $z$
Utilisons la relation $z = y' - y$ pour trouver $z(x)$.
Tout d'abord, calculons la dérivée $y'(x)$ :
$y'(x) = 2C_1 e^{2x} - 2C_2 e^{-2x}$
Calculons maintenant $z(x)$ :
$z(x) = y'(x) - y(x)$
$z(x) = (2C_1 e^{2x} - 2C_2 e^{-2x}) - (C_1 e^{2x} + C_2 e^{-2x})$
$z(x) = (2C_1 - C_1)e^{2x} + (-2C_2 - C_2)e^{-2x}$
$z(x) = C_1 e^{2x} - 3C_2 e^{-2x}$
**Solution Finale**
Le couple de fonctions $(y, z)$ solution du système est :
$
\begin{cases}
y(x) = C_1 e^{2x} + C_2 e^{-2x} \\
z(x) = C_1 e^{2x} - 3C_2 e^{-2x}
\end{cases}
$
où $C_1$ et $C_2$ sont des constantes réelles quelconques
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# 🗓️ Historique
- Dernière MAJ: `20-juillet-2026`
- Rédigé par: [[Antonia JABBOUR]]
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