Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Differential equationExercise

Ma première résolution d’équation différentielle linéaire homogène d’ordre 1

by SalixBabylonica·
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Difficulty scaleÉchelle de difficulté

This score reflects both the level of the required concepts and the difficulty of the solution.Ce score tient compte à la fois du niveau des notions nécessaires et de la difficulté de la résolution.

  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
These levels are approximate guides.Ces niveaux sont des repères approximatifs.
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Français

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Résoudre, sur R\mathbb{R}, l'équation différentielle suivante :
(H):(1+x2)y′−2xy=0.(H): \qquad(1+x^{2})y'-2xy = 0.

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Solutions

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Solution by SalixBabylonica

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Méthode 1: Application du résultat de résolution d’une tel EDP.

Soit x∈Rx \in \mathbb{R}
(1+x2)y′−2xy=0\quad(1+x^2)y'-2xy=0⟺y′−2x1+x2y=0.\Longleftrightarrow y'-\frac{2x}{1+x^2}y=0.Or
∫−2x1+x2 dx=−ln⁡(1+x2).\int -\frac{2x}{1+x^2}\,dx = -\ln(1+x^2).Ainsi, une primitive de
a(x)=−2x1+x2a(x)=-\frac{2x}{1+x^2}est
A(x)=−ln⁡(1+x2).A(x)=-\ln(1+x^2).D’après la méthode générale de résolution de l’équation homogène,
y(x)=λe−A(x),λ∈R.y(x)=\lambda e^{-A(x)}, \qquad \lambda\in\mathbb R.Donc
y(x)=λeln⁡(1+x2)=λ(1+x2).y(x) = \lambda e^{\ln(1+x^2)} = \lambda (1+x^2).Par conséquent, les solutions de (H)(H) sont les fonctions
x⟼λ(1+x2),λ∈R.x\longmapsto \lambda(1+x^2), \qquad \lambda\in\mathbb R.Méthode 2 : On reconnaît l’expression d’un formule de dérivation connu.

(H)  ⟺  (1+x2)y′−2xy=0  ⟺  (1+x2)y′−2xy(1+x2)2=0(car 1+x2>0 pour tout x∈R)  ⟺  ddx(y1+x2)=0  ⟺  ∃λ∈R, ∀x∈R,y(x)1+x2=λ  ⟺  ∃λ∈R, ∀x∈R,y(x)=λ(1+x2).\begin{aligned} (H) &\iff (1+x^2)y'-2xy=0 \\[0.3em] & \iff \frac{(1+x^2)y'-2xy}{(1+x^2)^2}=0 \quad\bigl(\text{car } 1+x^2>0 \text{ pour tout } x\in\mathbb R\bigr) \\[0.3em] & \iff \frac{d}{dx} \left( \frac{y}{1+x^2} \right) =0 \\[0.3em] & \iff \exists \lambda\in\mathbb R,\ \forall x\in\mathbb R, \qquad \frac{y(x)}{1+x^2}=\lambda \\[0.3em]& \iff \exists \lambda\in\mathbb R,\ \forall x\in\mathbb R, \qquad y(x)=\lambda(1+x^2). \end{aligned}

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