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Niveau Maths sup
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Démonstration

Posté par Profil Ramanujan 13-05-19 à 23:29

Bonsoir,

Je bloque sur la démonstration de cette proposition.

Cas où \K=\C. Soit r \in \C
On considère l'équation différentielle : y''+ay'+by=0 et son équation caractéristique r^2+ar+b=0

Si l'équation caractéristique r^2+ar+b=0 a 2 racines distinctes r_1 et r_2 alors les solutions de (E_0) dans \C sont les fonctions :

x \mapsto \lambda_1 e^{r_1 x} + \lambda_2 e^{r_2 x}
avec (\lambda_1 ,\lambda_2) \in \C^2

En suivant l'indication de mon livre, j'ai posé  : z(x)=f(x) e^{-rx} avec r une racine de l'équation caractéristique.

On suppose que f est une solution de (E_0) donc elle est 2 fois dérivables, donc z aussi.

Je trouve : f solution de (E_0) si et seulement si z' est solution de y'+(2r+a)y=0

Mais je bloque ici, je n'ai pas compris c'est où qu'on utilise les solutions r_1 et r_2

Posté par
etniopal
re : Démonstration 13-05-19 à 23:58

Si u et v sont les racines  distinctes de X² + aX + b  ( qui s'écrit donc (X - u)(X - v))  tu fais le raisonnement suivant ;
si y est une solution de y"  + ay '+ by = 0 alors  z = y ' - uy vérifie z ' - v.z = 0  donc il existe  un réel c  tel que z : x   c.exp(vx) et donc y ' - uy = c.exp(vx) .
Tu sais en déduire y .

Posté par Profil Ramanujanre : Démonstration 14-05-19 à 00:26

Je ne comprends rien

Moi je dirais : z' = \lambda  \exp({-(2r+a)t}) Mais je ne comprends pas où introduire les r_1 , r_2

Posté par Profil Ramanujanre : Démonstration 14-05-19 à 02:08

Ça sort d'où le "alors  z = y ' - uy vérifie z ' - v.z = 0" ?

Posté par
Sylvieg Moderateur
re : Démonstration 14-05-19 à 07:25

Bonjour,
Ça sort d'un petit calcul :
Si z = y' - uy alors z' = ... = vz .

Les lettres u et v pour désigner les racines, c'est plus facile à écrire que r1 et r2 .

Posté par
luzak
re : Démonstration 14-05-19 à 08:17

Bonjour !
Tu mélanges deux choses différentes.
1. En cherchant les solutions de l'équation homogène de la forme f(x)=\mathrm{e}^{rx} tu trouves que r doit être racine de l'équation caractéristique.
Ce qui te donne, si les racines sont distinctes, une base de solutions pour l'équation homogène.

2. Si tu connais UNE  solution x\mapsto \mathrm{e}^{rx} de l'équation homogène (ce qui se passe si l'équation caractéristique a une racine double), tu peux trouver une autre solution de l'équation  sous la forme  x\mapsto z(x)\mathrm{e}^{rx} : z' sera alors solution d'une équation d'ordre 1.

Il te reste alors à vérifier que tu obtiens ainsi une base de solutions.

Posté par Profil Ramanujanre : Démonstration 14-05-19 à 10:29

Sylvieg @ 14-05-2019 à 07:25

Bonjour,
Ça sort d'un petit calcul :
Si  z = y' - uy  alors  z' =  ...  = vz .

Les lettres  u  et  v  pour désigner les racines, c'est plus facile à écrire que  r1  et  r2 .


Mais il sort d'où ce z=y'-uy ? C'est quoi le rapport avec le début de la démonstration ?

Posté par Profil Ramanujanre : Démonstration 14-05-19 à 10:36

Luzak je n'ai pas trop compris le sens de votre remarque.
Comment on sait qu'on peut trouver une solution sous la forme z(x)e^{rx}.

J'ai z' solution de  y'+(2r_1+a)y=0 et y'+(2r_2+a)y=0

Ensuite je ne sais pas quoi faire

Posté par
luzak
re : Démonstration 14-05-19 à 12:47

Citation :
Comment on sait qu'on peut trouver une solution sous la forme z(x)e^{rx}.

Si on ne connait rien aux équations différentielles, on ne sait pas  mais comme la suggestion est donnée par l'énoncé on peut toujours l'essayer !


Je te répète que la suggestion donnée s'applique au cas il y a une seule racine pour l'équation caractéristique.
Tes
Citation :
y'+(2r_1+a)y=0 et y'+(2r_2+a)y=0
n'ont rien à voir et ne servent à rien !

Il faut supposer qu'il y a une unique racine, notée r (les indices sont inutiles) et trouver la relation demandée par l'énoncé et réviser (ou découvrir) tes connaissances sur les équations.

Posté par Profil Ramanujanre : Démonstration 14-05-19 à 13:47

"Je te répète que la suggestion donnée s'applique au cas il y a une seule racine pour l'équation caractéristique. "
Pourquoi une seule racine ? Je ne comprends pas et je ne vois ça nulle part dans mon cours.

Dans mon cours, j'ai vu précédemment que :

Soit r \in \C. La fonction  x \mapsto e^{rx} est solution dans \C de l'équation homogène y''+ay'+by=0 si et seulement si r^2+ar+b=0

Posté par
luzak
re : Démonstration 14-05-19 à 14:57

Relis ce que j'ai écrit : " j " ce n'est pas ton cours .
1. S'il y a deux racines distinctes de l'équation caractéristique on a deux solutions qui forment une base.
2. S'il y a une seule racine on a UNE solution et on cherche une AUTRE solution (si possible indépendante de la précédente) sous la forme indiquée.

C'est très clair et il est inutile de me sortir des phrases de ton cours sans les comprendre, surtout si elles n'apportent aucune contradiction (révision de logique ?) avec ce que a été dit.

Posté par Profil Ramanujanre : Démonstration 14-05-19 à 15:34

Ah d'accord. Donc je prends r_1 une solutions de l'équation caractéristique.

f solution de (E_0) si et seulement si z' est solution de y'+(2r_1+a)y=0 si et seulement si :

\exists \lambda_1 \in \C : z'(x)= \lambda_1 e^{-(2r_1+a)x}

Mais comment on sait si : 2r_1 +a \ne 0 ?

Ensuite : \exists \lambda_2 \in \C : z(x)= - \dfrac{ \lambda_1}{2r_1+a}e^{-(2r_1+a)x}+ \lambda_2

Soit : f(x)= - \dfrac{ \lambda_1}{2r_1+a}e^{-(2r_1+a)x}e^{r_1 x}+ \lambda_2 e^{r_1 x}

Donc :  f(x)= - \dfrac{ \lambda_1}{2r_1+a}e^{(-r_1+a)x}+ \lambda_2 e^{r_1 x}

Or : r_1+r_2 = -a (somme de racines d'une équation du second degré)

Et là je bloque pour exprimer a-r_1

Posté par
luzak
re : Démonstration 14-05-19 à 15:45

Si tu lisais ?
Le 2. est à utiliser lorsque l'équation caractéristique a une seule racine, qu'on note r. La barbe avec tes r_1,r_2 quand il y a une seule racine.

J'ai suggéré que tu révises tes connaissances concernant les équations, niveau classe de  seconde, sûrement avant le niveau Sup.
Tu sembles connaître la somme des racines. Que peux-tu ajouter quand il y a une unique racine ?

Posté par
etniopal
re : Démonstration 14-05-19 à 16:39

Ramanujan
"  Il " se permet  de te rappeler que l'opérateur de dérivation ( sur le -ev  E formé des applications 2fois dérivable de vers )

est linéaire et que si  u et v sont les racines de X² + aX + b  alors D² + aD  + I = (D - u.I)(D - v.I)  ( I désignant l'application y y de E sur E )

R ésoudre l'ED   y"  + ay' + by  =  0  c'est donc trouver le noyau de   D² + aD  + I  .
Si y est dans ce noyau  le   z := y ' - v.y  ( que je sors ) est dans le noyau de (D - u.I) donc  z ' - u.z = 0 .
Tu peux d'ailleurd remarquer que cette méthode marche même si u = v et même pour l'ED    y"  + ay' + by  =  f  ( si f est convenable ) .

Posté par Profil Ramanujanre : Démonstration 14-05-19 à 16:41

Je n'ai pas compris comment utiliser votre point 1, je n'ai pas de connaissances sur les bases.

Mais ma méthode marche, j'ai oublié un moins, on trouve :

f(x)= - \dfrac{ \lambda_1}{2r_1+a}e^{(-r_1-a)x}+ \lambda_2 e^{r_1 x}

Or : r_1+r_2 = -a

Donc :  f(x)= - \dfrac{ \lambda_1}{2r_1+a}e^{r_2 x}+ \lambda_2 e^{r_1 x}

Il suffit de poser : \lambda ' = - \dfrac{ \lambda_1}{2r_1+a} \in \C

Et on a l'inclusion voulue : S \subset \{ \lambda_1 e^{r_1 x} +  \lambda_2 e^{r_2 x}  , (\lambda_1 , \lambda_2) \in \C^2  \}

L'inclusion inverse étant trivial vu que x \mapsto e^{r_1x} et x \mapsto e^{r_2x} sont solutions de (E_0) et d'après une proposition du cours, toute combinaison linéaires d'éléments de (E_0) reste dans (E_0)

Posté par Profil Ramanujanre : Démonstration 14-05-19 à 16:47

@Etnopial
Vous partez dans des choses trop compliquées pour moi, je n'ai aucune connaissance en algèbre actuellement.
Je préfère rester sur des méthodes simples.

Posté par Profil Ramanujanre : Démonstration 14-05-19 à 17:13

Et dans le cas où j'ai une racine double,  Soit r la solution de r^2+ar+b=0

Alors r= - \dfrac{a}{2}

Donc : 2r+a=-a+a=0 on obtient : z''(x)=0

Donc \exists \lambda_1 \in \C : z'(x)= \lambda_1 et ainsi  \exists \lambda_2 \in \C : z(x) = \lambda_1 x + \lambda_2

Enfin : f(x)= (\lambda_1 x + \lambda_2) e^{rx} avec (\lambda_1,\lambda_2) \in \C^2

On a montré : S \subset \{(\lambda_1 x + \lambda_2) e^{rx} , (\lambda_1,\lambda_2) \in \C^2 \}

On est obligé de vérifié l'inclusion inverse ?

Posté par
luzak
re : Démonstration 14-05-19 à 17:47

On t'a suggéré de trouver, il me semble, une condition nécessaire et suffisante !

Rappel : Compte tenu de la structure de l'ensemble des solutions, tu cherches UNE solution indépendante de la solution connue non nulle x\mapsto\mathrm{e}^{rx} et il suffit de prendre z(x)=x.

Tu trouves alors une base de l'espace des solutions : x\mapsto\mathrm{e}^{rx},\;x\mapsto x\mathrm{e}^{rx}.

Posté par
carpediem
re : Démonstration 14-05-19 à 18:49

encore faut-il savoir que la dimension de l'espace vectoriel des solutions est 2 ...

Ramanujan @ 14-05-2019 à 16:47

@Etnopial
Vous partez dans des choses trop compliquées pour moi, je n'ai aucune connaissance en algèbre actuellement.
Je préfère rester sur des méthodes simples.


...

Posté par Profil Ramanujanre : Démonstration 14-05-19 à 20:33

luzak @ 14-05-2019 à 17:47

On t'a suggéré de trouver, il me semble, une condition nécessaire et suffisante !

Rappel : Compte tenu de la structure de l'ensemble des solutions, tu cherches UNE solution indépendante de la solution connue non nulle x\mapsto\mathrm{e}^{rx} et il suffit de prendre z(x)=x.

Tu trouves alors une base de l'espace des solutions : x\mapsto\mathrm{e}^{rx},\;x\mapsto x\mathrm{e}^{rx}.


Je ne comprends rien  à vos histoires de base de solutions et de structure de l'ensemble de solution et c'est quoi le rapport avec cette démonstration

Mais en fait on a travaillé par équivalence donc l'inclusion inverse n'a pas besoin d'être vérifiée.

Posté par
luzak
re : Démonstration 14-05-19 à 23:15

Si tu as trouvé un cours qui te fait réviser les équations différentielles linéaires d'ordre 2 sans parler (quitte à l'admettre) de l'espace vectoriel des solutions tu as un trésor ! Genre de livre à mettre au chaud dans une étagère, spécimen unique, un "collector" quoi !

Posté par Profil Ramanujanre : Démonstration 15-05-19 à 02:28

Si il y a des remarques sur les espaces vectoriels en disant que ce sera démontré ultérieurement. Mais les démonstrations n'utilisent que des connaissances élémentaires sur la dérivation, les primitives et les nombres complexes. Aucune démonstration de ce chapitre n'utilise des connaissances sur les espaces vectoriels.

L'ensemble des solutions de l'équation différentielle (E_0) est un  \K espace vectoriel de dimension 2 puisque ses éléments sont les combinaisons linéaires de deux solutions non proportionnelles. On dit que l'ensemble des solutions de l'équation homogène forme un plan vectoriel.

J'ai vérifié par le calcul que dans le cas où r_0 est une racine double :

x \mapsto x e^{r_0 x} est solution de y''+ay'+b=0

Si on pose f(x)=x e^{r_0 x}

f''+af'+bf = e^{r_0x} (2r_0 + xr_0 ^2+a+ar_0 x  + bx)

Or 2r_0 + a =0

Donc :  f''+af'+bf = xe^{r_0x} ( r_0 ^2+ar_0   + b)=0

Posté par
luzak
re : Démonstration 15-05-19 à 08:03

Tes réponses montrent que tu n'as rien compris aux réponses que tu as données précédemment.

Vouloir vérifier que x\mapsto x\mathrm{e}^{rx} est solution après avoir écrit

Citation :
Je trouve : f solution de (E_0) si et seulement si z' est solution de y'+(2r+a)y=0
montre cette incompréhension.

Tu n'as jamais signalé que les solutions x\mapsto \mathrm{e}^{rx} et x\mapsto x\mathrm{e}^{rx} sont non proportionnelles (je préfère dire  "forment une famille libre").

...................................
L'énoncé sur le plan vectoriel est sans doute admis sans démonstration mais tu n'as JAMAIS démontré que
Citation :
ses éléments sont les combinaisons linéaires de deux solutions non proportionnelles.

Tu as uniquement démontré que les combinaisons linéaires etc... sont des solutions, pas la réciproque.

Posté par
lionel52
re : Démonstration 15-05-19 à 09:06

Pour montrer que toutes les sol sont de la forme

   S=\{(\lambda_1%20x%20+%20\lambda_2)%20e^{rx}%20,%20(\lambda_1,\lambda_2)%20\in%20\C^2%20\}    

Tu peux utiliser le theoreme de Cauchy pour les équa diff dordre 2.
"Pour a,b donné il existe une unique solution y de E telle que y(0)=a et y'(0)=b"

Donc ici tu prends a et b arbitraires et tu montres quil y a un élément de E qui vérifie la propriété précédente

Posté par Profil Ramanujanre : Démonstration 17-05-19 à 02:59

@Luzak

Oui il n'y a pas besoin de vérifié que x \mapsto x e^{rx} est solution car on travaille par équivalence.

x \mapsto e^{rx} et  x \mapsto xe^{rx} ne sont pas proportionnelles et forment une famille libre car si on a : \lambda_1 x e^{rx} + \lambda_2 e^{rx} =0, en prenant x=0 on obtient : \lambda_2=0. Puis en prenant x=1, on en déduit \lambda_1 =0 donc la famille est libre.

Si j'ai montré que les solutions sont combinaisons linéaires ici :

f est solution de (E_0) si et seulement si z' est solution de y'+(2r+a)y=0
Dans le cas où l'équation caractéristique admet une racine double, 2r+a=0 alors les solutions de (E_0 ') sont les fonctions : \R \longrightarrow \C \\ x \mapsto \lambda

Ainsi la fonction f est solution de (E_0) si et seulement si il existe des constantes \lambda_1 , \lambda_2 telles que :

\forall x \in \R : z(x) = \lambda_1 + \lambda_2 x c'est-à-dire si et seulement si il existe des constantes \lambda_1 , \lambda_2 telles que :

\forall x \in \R : f(x)=\lambda_1 e^{rx} + \lambda_2 x e^{rx}



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