Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Differential equation

Une jolie équation différentielle

by FiniteField·
36
Difficulty scaleÉchelle de difficulté

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  1. 110First steps / middle schoolPremiers pas / collège
  2. 1125Beginner / high schoolDébutant / lycée
  3. 2650Intermediate / undergraduateIntermédiaire / licence
  4. 5170Advanced / graduateAvancé / master
  5. 7190Expert / specializedExpert / spécialisé
  6. 91100Research levelNiveau recherche
These levels are approximate guides.Ces niveaux sont des repères approximatifs.
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Français

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Soit fC2(R,R).f\in\mathcal{C}^2(\mathbb{R},\mathbb{R}). Résoudre f(x)+f(x)=x.f''(x)+f(-x)=x.

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  1. Oral Mines-Ponts filière PC 2023 (RMS 134-1 1179)
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Solution by FiniteField

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On propose deux méthodes, toutes les deux par analyse-synthèse.
Méthode 1 :
Analyse :
Soit ff une telle solution. On rappelle que l’ensemble des fonctions impaires et paires continues sont supplémentaires dans C2(R,R).\mathcal{C}^2(\mathbb{R},\mathbb{R}). On décompose ff sous la forme f=φ+ψf=\varphi+\psi avec φ\varphi paire et ψ\psi impaire. On obtient alors
φ(x)+φ(x)+ψ(x)ψ(x)=0+x\varphi''(x)+\varphi(x)+\psi''(x)-\psi(x)=0+xpuisque φ\varphi'' est paire et ψ\psi'' impaire on en déduit par unicité de la décomposition que
φ(x)+φ(x)=0 et que ψ(x)ψ(x)=x.\varphi''(x)+\varphi(x)=0\text{ et que }\psi''(x)-\psi(x)=x.L’ensemble des solutions de y+y=0y''+y=0 est Vect(sin,cos)\operatorname{Vect}(\sin,\cos) et l’ensemble des solutions de yy=xy''-y=x est {xx+λex+μexλ,μR}\left\{x\mapsto -x +\lambda e^x+\mu e^{-x}\mid \lambda,\mu\in\mathbb{R}\right\}. La fonction φ\varphi étant paire elle s’écrit φ(x)=λcos(x)\varphi(x)=\lambda\cos(x) et ψ\psi étant impaire elle s’écrira sous la forme ψ(x)=x+μsinh(x).\psi(x)=-x+\mu\sinh(x). On en déduit que f(x)=x+λcos(x)+μsinh(x).f(x)=-x+\lambda \cos(x)+\mu\sinh(x).
Synthèse :
On pose f(x)=x+λcos(x)+μsinh(x)f(x)=-x+\lambda \cos(x)+\mu\sinh(x) et on vérifie facilement qu’elle est bien solution de l’équation.

Méthode 2 :
Analyse :
On remarque que f(x)=xf(x)f''(x)=x-f(-x) de telle sorte que ff'' est de classe C2\mathcal{C}^2 comme somme et composée de fonction de classe C2,\mathcal{C}^2, i.e. ff est de classe C4.\mathcal{C}^4. En dérivant deux fois de plus on a alors
f(4)(x)+f(x)=f(4)+(xf(x))=f(4)f(x)=x.f^{(4)}(x)+f''(-x)=f^{(4)}+(-x-f(x))=f^{(4)}-f(x)=x.Ainsi ff est solution de l’équation (E~) ⁣:y(4)y=x(\widetilde{E})\colon y^{(4)}-y=x. On commence par résoudre l’équation homogène, donc par résoudre l’équation caractéristique r41=0r^4-1=0 qui a pour solution r{1,1,i,i}r\in\left\{-1,1,-i,i\right\}. Les solutions de l’équation homogène sont donc de la forme
yh(x)=λex+μex+γeix+δeix,(λ,μ,γ,δ)C4 ou encore yh(x)=aex+bex+ccos(x)+dsin(x),(a,b,c,d)R4.y_h(x)=\lambda e^x+\mu e^{-x}+\gamma e^{ix}+\delta e^{-ix},(\lambda,\mu,\gamma,\delta)\in\mathbb{C}^4\text{ ou encore }y_h(x)=a e^x+b e^{-x}+c \cos(x)+ d\sin(x),(a,b,c,d)\in\mathbb{R}^4.Par ailleurs, une solution évidente de (E~)(\widetilde{E}) est y0(x)=x.y_0(x)=-x. On sait alors qu’il existe (a,b,c,d)R4(a,b,c,d)\in\mathbb{R}^4 tels que
f(x)=x+aex+bex+ccos(x)+dsin(x).f(x)=-x+a e^x+b e^{-x}+c \cos(x)+ d\sin(x).On a alors xR,\forall x\in\mathbb{R},
x=f(x)+f(x)=aex+bexccos(x)dsin(x)+x+aex+bex+ccos(x)dsin(x)x=f''(x)+f(-x)=ae^x+be^{-x}-c\cos(x)-d\sin(x)+x+ae^{-x}+be^x+c\cos(x)-d\sin(x)donc
x=+(a+b)ex+(a+b)ex2dsin(x)0=(a+b)ch(x)2dsin(x).x=+(a+b)e^x+(a+b)e^{-x}-2d\sin(x) 0= (a+b)\ch(x)-2d\sin(x).En évaluant en x=0x=0 on a+b=0a+b=0, puis, en évaluant en x=π2x=\dfrac{\pi}{2} on a d=0.d=0. On conclut notre analyse en affirmant que ff est de la forme
f(x)=x+asinh(x)+ccos(x).f(x)=-x+a\sinh(x)+c\cos(x).Synthèse :
On pose f(x)=x+asinh(x)+ccos(x).f(x)=-x+a\sinh(x)+c\cos(x). On a alors
f(x)+f(x)=asinh(x)ccos(x)+xasinh(x)+ccos(x)=x.f''(x)+f(-x)=a\sinh(x)-c\cos(x)+x-a\sinh(x)+c\cos(x)=x.L’ensemble des solutions de l’équation demandée est alors
S={xx+asinh(x)+ccos(x)(a,c)R2}.S=\left\{x\longmapsto -x+a\sinh(x)+c\cos(x)\mid (a,c)\in\mathbb{R}^2\right\}.

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