Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Differential equation

Etude d’une série entière à l’aide d’une équation différentielle

by SalixBabylonica·
38
Difficulty scaleÉchelle de difficulté

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  1. 1–10First steps / middle schoolPremiers pas / collège
  2. 11–25Beginner / high schoolDébutant / lycée
  3. 26–50Intermediate / undergraduateIntermédiaire / licence
  4. 51–70Advanced / graduateAvancé / master
  5. 71–90Expert / specializedExpert / spécialisé
  6. 91–100Research levelNiveau recherche
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Français

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Pour tout x∈Rx \in \mathbb{R}, on note
f(x)=∑n=0+∞x3n(3n)!.f(x)=\sum_{n= 0}^{+\infty} \frac{x^{3n}}{(3n)!}.

  1. Montrez que la série entière définissant ff converge bien sur R\mathbb{R}.
  2. Pour x∈Rx \in \mathbb{R}, calculez f′′(x)+f′(x)+f(x)f''(x)+f'(x)+f(x).
  3. En déduire une autre expression de ff.
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Solutions

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  1. On va utiliser le critère de d’Alembert : à xx fixé, le terme général de la série est un=x3n(3n)!u_{n}=\frac{x^{3n}}{(3n)!}. On obtient :
    un+1un=x3(3n+1)(3n+2)(3n+3)→0\frac{u_{n+1}}{u_{n}}=\frac{x^{3}}{(3n+1)(3n+2)(3n+3)}\rightarrow 0donc d’après le critère de d’Alembert, la série converge pour tout xx réel.

  2. Une série entière est indéfiniment dérivable sur son disque de convergence, et sa dérivée s’obtient en dérivant terme à terme. On obtient :
    f′(x)=∑n=1+∞3nx3n−1(3n)!=∑n=1+∞x3n−1(3n−1)!f'(x)=\sum_{n=1}^{+\infty}\frac{3n x^{3n-1}}{(3n)!}=\sum\limits_{n=1}^{+\infty} \frac{x^{3n-1}}{(3n-1)!}et de même, comme le rayon de convergence de la série dérivée est égal au rayon de convergence de la série initiale, on obtient :
    f′′(x)=∑n=1+∞x3n−2(3n−2)!f''(x)=\sum_{n=1}^{+\infty}\frac{x^{3n-2}}{(3n-2)!}

On s’aperçoit que ff a ses coefficients non nuls pour les entiers de la forme 3n3n ; pour f′f', ce sont les 3n−13n-1, et pour f′′f'' ce sont les 3n−23n-2. Ainsi, en additionnant ces trois séries entières, on couvre tous les termes ; et on obtient :
f(x)+f′(x)+f′′(x)=∑n=0+∞xnn!=exp⁡(x).f(x)+f'(x)+f''(x)=\sum_{n=0}^{+\infty}\frac{x^{n}}{n!}=\exp(x).

  1. Il s’agit d’une équation différentielle linéaire d’ordre 2. On applique la méthode standard :
    ⋆\star on commence par résoudre l’équation différentielle homogène associée, f+f′+f′′=0f+f'+f''=0, en résolvant l’équation caractéristique 1+X+X2=01+X+X^{2}=0, qui admet deux racines complexes X=−1±i32X=\frac{-1\pm i\sqrt{3}}{2}.
    Les solutions réelles de l’équation homogène sont donc les
    exp⁡(−x/2)(Acos⁡(32x)+Bsin⁡(32x))\exp(-x/2)\left(A\cos\left(\frac{\sqrt{3}}{2}x\right)+B\sin\left(\frac{\sqrt{3}}{2}x\right)\right)⋆\star on détermine une solution particulière de l’équation différentielle originale : ici, on pourrait partir sur la méthode de la variation de la constante, mais plus simplement, on s’aperçoit que exp⁡(x)/3\exp(x)/3 fonctionne.
    ⋆\star les solutions de l’équation différentielle sont donc les
    exp⁡(x)3+exp⁡(−x/2)(Acos⁡(32x)+Bsin⁡(32x))\frac{\exp(x)}{3}+\exp(-x/2)\left(A\cos\left(\frac{\sqrt{3}}{2}x\right)+B\sin\left(\frac{\sqrt{3}}{2}x\right)\right)

ff est donc de cette forme, pour des coefficients AA et BB à déterminer.
Avec f(0)=1f(0)=1, on obtient A=2/3A=2/3 ; en dérivant, on obtient finalement que f′(0)=0=1/3−(1/2)A+B3/2f'(0)=0=1/3-(1/2)A+B\sqrt{3}/2, d’où B=0B=0.

Finalement, on a obtenu :
f(x)=exp⁡(x)+2exp⁡(−x/2)cos⁡(32x)3.f(x)=\frac{\exp(x)+2\exp(-x/2)\cos\left(\frac{\sqrt{3}}{2}x\right)}{3}.

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