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La première classification consiste à distinguer entre équations différentielles ordinaires (fréquemment désignées par l'abréviation EDO dans les ouvrages francophones et par ODE dans les ouvrages anglophones) et équations différentielles aux dérivées partielles (EDP, PDE). Cette classification peut être affinée avec la définition suivante: la dérivée la plus élevée (première, …, $n^e$) figurant dans l'équation donne l'ordre de cette dernière. Quel est l'ordre de chacune des équations différentielles suivantes? $\frac{dy}{dx}=\frac{x^2}{y^2cos(y)}$ $u_{xx}+u_{yy}=0$ $(y-1)dx+xcos(y)dy=0$ $(\frac{dy}{dx})^4=y+x$ $y^3+\frac{dy}{dx}=1$ Équations différentielles linéaires Une équation différentielle d'ordre n est linéaire si elle a la forme suivante: $a_n(x)\frac{d^n y}{dx^n}$+$a_{n-1}(x)\frac{d^{n-1}y}{dx^{n-1}}$+ … +$a_2(x)\frac{d^2y}{dx^2}$+$a_1(x)\frac{dy}{dx}$+$a_0 (x)y=f(x)$ où les fonctions $a_j(x)$, $j$= 0, 1, … n et $f(x)$ sont données. Quelles sont, parmi les équations suivantes, celles qui sont linéaires: $\frac{dy}{dx}=x^3$ $\frac{d^2u}{dx^2}+u=e^x$ $(y-1)dx+xcos(y)dy=0$ $\frac{d^3y}{dx^3}+y\frac{dy}{dx}=x$ $\frac{dy}{dx}+x^2y=x$ $\frac{d^2x}{dt^2}+sin(x)=0$ Résoudre une équation différentielle ordinaire linéaire avec Mathematica Mathematica peut résoudre des équations différentielles ordinaires linéaires de n'importe quel ordre si elles ont des coefficients constants.
si $f(x)=B\cos(\omega x)$, on cherche une solution sous la forme $y(x)=a\cos(\omega x)+b\sin(\omega x)$ sauf si l'équation homogène est $y''+\omega^2 y=0$. Dans ce cas, on cherche une solution sous la forme $y(x)=ax\sin(\omega x)$. si $f(x)=B\sin(\omega x)$, on cherche une solution sous la forme $y(x)=a\cos(\omega x)+b\sin(\omega x)$ sauf si l'équation homogène est $y''+\omega^2 y=0$. Dans ce cas, on cherche une solution sous la forme $y(x)=ax\cos(\omega x)$. Plus généralement, si $f(x)=P(x)\exp(\lambda x)$, avec $P$ un polynôme, on cherche une solution sous la forme $Q(x)\exp(\lambda x)$. les solutions de l'équation $y''+ay'+by=f$ s'écrivent comme la somme de cette solution particulière et des Problème du raccordement des solutions Soit à résoudre l'équation différentielle $a(x)y'(x)+b(x)y(x)=c(x)$ avec $a, b, c:\mathbb R\to \mathbb R$ continues. On suppose que $a$ s'annule seulement en $x_0$. Pour résoudre l'équation différentielle sur $\mathbb R$, on commence par résoudre l'équation sur $]-\infty, x_0[$ et sur $]x_0, +\infty[$, là où $a$ ne s'annule pas; on écrit qu'une solution définie sur $\mathbb R$ est une solution sur $]-\infty, x_0[$ et aussi sur $]x_0, +\infty[$.
$$ On doit alors trouver une primitive de $b(x)/y_0(x)$ pour trouver une solution particulière (voir cet exercice). les solutions de l'équation $y'+ay=b$ s'écrivent comme la somme de cette solution particulière et des solutions de l'équation homogène. Résolution d'une équation différentielle linéaire d'ordre 2 à coefficients constants Si on doit résoudre une équation différentielle linéaire d'ordre 2 à coefficients constants, $y''(x)+ay'(x)+by(x)=f(x)$, alors on commence par rechercher les solutions de l'équation homogène: $y''+ay'+by=0$. Résolution de l'équation homogène, cas complexe: Soit $r^2+ar+b=0$ l'équation caractéristique associée. si l'équation caractéristique admet deux racines $r_1$ et $r_2$, alors les solutions de l'équation homogène $y''+ay'+by=0$ sont les fonctions $$x\mapsto \lambda e^{r_1 x}+\mu e^{r_2 x}\quad\textrm{ avec}\lambda, \mu\in\mathbb C. $$ si l'équation caractéristique admet une racine double $r$, alors les solutions de l'équation homogène $y''+ay'+by=0$ sont les fonctions $$x\mapsto (\lambda x+\mu)e^{rx}\quad\textrm{ avec}\lambda, \mu\in\mathbb C.
SYSTÈMES D'ÉQUATIONS DIFFÉRENTIELLES Voyons maintenant des développements qui vont aussi bien tre utiles en physique quantique que dans la résolution de systèmes d'équations différentielles (et particulièrement une qui est connue en théorie du chaos! ). Avant cela, il va nous falloir introduire le concept d'exponentialisation d'une matrice: L'ensemble des matrices coefficients dans noté est un espace vectoriel pour l'addition des matrices et la multiplication par un scalaire. Nous notons I la matrice identité. Nous admettrons qu'une suite de matrices convergent vers une matrice A si et seulement si les suites de coefficients des matrices convergent vers les coefficients correspondent de A. Exemple: Dans la suite de matrices: (10. 96) converge vers: (10. 97) lorsque. Si, nous avons vus lors de notre étude des nombres complexes ( cf. chapitre sur les Nombres) que la série: (10. 98) converge et sa limite est notée. En fait ici il n'y a aucune difficulté remplacer x par une matrice A puisque nous savons (nous l'avons montré lors de notre étude des nombres complexes) que tout nombre complexe peut s'écrire sous la forme suivante (le corps des nombres complexes est donc isomorphe au corps des matrices réelles carrées de dimensions 2 ayant cette forme): (10.
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