Équations différentielles — Polytechnique

Exercices corrigés de Polytechnique sur le thème « équations différentielles », regroupés par filière.

MP–MPI


Exercice 1. (★★★★) Coefficients constants ; Cayley-Hamilton ; Endomorphismes
Pour {f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}} dérivable, posons {E_f=\operatorname{Vect}\left\{x\mapsto f(x+a):a\in\mathbb{R}\right\}}.

Montrer que {E_f} est de dimension finie si et seulement si {f} satisfait une équation différentielle linéaire homogène à coefficients constants.

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Exercice 2. (★★★) Sous-espaces stables ; Matrices définies positives ; Diagonalisation
Soient {J=\begin{pmatrix}0&I_n\\[4pt]-I_n&0\end{pmatrix}} et {S\in\mathcal S_{2n}(\mathbb{R})} définie positive.
1) Montrer que toutes les solutions de {X'=JSX} sont bornées.
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2) Montrer que {JS} est semblable sur {\mathbb{C}} à {\operatorname{diag}(i\lambda_1,-i\lambda_1,\ldots,i\lambda_n,-i\lambda_n)}, avec les {\lambda_j} réels.
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Exercice 3. (★★★★★) Orthogonalité ; Intégration par parties ; Second ordre
Pour {n\ge0}, soit {(E_n):-y''+x^2y=(2n+1)y} sur {\mathbb{R}}. Posons {Af=f'+xf}, {Bf=-f'+xf}.
1) Donner la dimension de l’espace des solutions de {(E_n)}.
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2) Résoudre {(E_0)} à l’aide de {A,B}.
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3) Déterminer ses solutions de carré intégrable.
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4) Pour {f_0=e^{-x^2/2}}, montrer que {f_n=B^nf_0} satisfait {(E_n)}, en calculant {AB^n-B^nA}.
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5) Montrer que les solutions de carré intégrable de {(E_n)} sont les multiples de {f_n}.
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6) Montrer l’orthogonalité de la famille {(f_n)} dans {L^2(\mathbb{R})}.
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Exercice 4. (★★★★) Intégration sur un intervalle quelconque ; Dérivation sous l'intégrale ; Intégration par parties
a) Calculer {\int_0^\infty e^{-t}\sin(xt)dt} pour {x\in\mathbb{R}}.
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b) Poser {F(x)=\int_0^\infty\sin(xt)/(t(1+t^2))dt}.

Montrer que {F} est {C^2} sur {]0,\infty[} et {F''(x)=F(x)-\int_0^\infty\sin t/t\,dt}.

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c) Simplifier {F}.
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Exercice 5. (★★★) Limites des solutions ; Variation de la constante ; Premier ordre
Soient {f,g:\mathbb{R}_+\to\mathbb{R}_+^\star} de classe {C^1} et {a\in[0,1]}.
a) Montrer l’existence d’une unique solution {C^1} de {x_a'=f-(f+g)x_a}, {x_a(0)=a}.
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b) Si {f,g} ont des limites finies strictement positives, montrer que {x_a\to0}.
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c) Choisir {f,g} pour que {x_a} n’ait pas de limite.
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d) Si l’une de {f,g} n’est pas intégrable sur {\mathbb{R}_+}, montrer que {x_1-x_0\to0}.
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Exercice 6. (★★★★) Problème de Cauchy ; Théorème de Weierstrass ; Variation des constantes
Soient {v:\mathbb{R}\to\mathbb{R}} continue à support compact et {\omega>0}. On considère {y''+\omega^2y=v(t)}, d’ensemble de solutions {S_E}.
a) Pour tout {(a,b)}, montrer qu’il existe une unique solution {f^+_{a,b}} égale à {a\cos\omega t+b\sin\omega t} près de {+\infty}, et une unique {f^-_{a,b}} ayant cette propriété près de {-\infty}.

Montrer que ces deux familles décrivent tout {S_E}.

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b) Poser {c(\omega)=\int_{\mathbb{R}}v(t)\cos\omega t\,dt}, {s(\omega)=\int_{\mathbb{R}}v(t)\sin\omega t\,dt}.

Déterminer {S_\omega} défini par {f^-_{a,b}=f^+_{S_\omega(a,b)}}.

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c) Si {S_\omega=\mathrm{id}} pour tout {\omega>0}, montrer {v=0}.
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Exercice 7. (★★★★) Zéros des solutions ; Problème de Cauchy ; Intégration par parties
Soient {q_1,q_2} continues sur {\mathbb{R}_+} avec {q_1\le q_2}.
a) Pour des solutions respectives {y_1,y_2} de {y''+q_i y=0}, et deux zéros {\alpha\lt \beta} de {y_1}, montrer que {y_2} s’annule sur {[\alpha,\beta]}.
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b) Si {0\lt m\le q\le M}, montrer que les zéros d’une solution non nulle forment une suite strictement croissante {(t_n)} et que {\pi/\sqrt M\le t_{n+1}-t_n\le\pi/\sqrt m}.
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Exercice 8. (★★★) Équations du premier ordre ; Dérivation sous le signe intégral ; Intégration par parties
Fixons {t>0} et posons, pour {p\in\mathbb{R}}, {F_c(p)=\int_0^\infty e^{-tx^2}\cos(px^2)\,dx,\qquad F_s(p)=\int_0^\infty e^{-tx^2}\sin(px^2)\,dx,\qquad Z=F_c+iF_s.}
1) Montrer que {Z} est {C^\infty}.
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2) Déterminer une équation différentielle du premier ordre satisfaite par {Z}.
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3) En déduire {F_c,F_s}.
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Exercice 9. (★★★★) Valeurs propres ; Systèmes à coefficients constants ; Trace
Soient {a_{ij}>0} et {f_1,\ldots,f_n} dérivables sur {\mathbb{R}_+}, tendant vers {0} en {+\infty}, telles que {f_i'=\sum\limits_{j=1}^na_{ij}f_j}.

Montrer que la famille des fonctions {(f_1,\ldots,f_n)} est liée.

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Exercice 10. (★★★★) Intégration par parties ; Problème de Cauchy ; Positivité et majorations
1) Si {f\in C^1([0,\pi])} et {f(0)=f(\pi)=0}, montrer que {\int_0^\pi f^2\le(\pi^2/8)\int_0^\pi(f')^2}.
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2) Si {f,q} sont continues sur {[0,\pi]} et {q(x)\lt 8/\pi^2}, montrer que, pour tous {a,b\in\mathbb{R}}, il existe une unique {y\in C^2([0,\pi])} telle que {y''+qy=f}, {y(0)=a}, {y(\pi)=b}.
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Exercice 11. (★★★) Composition ; Équations du second ordre ; Intégrabilité
Sur {C^\infty(\mathbb{R})}, posons {Hf=x^2f-f''}, {A_-f=-f'+xf} et {A_+f=f'+xf}.
1) Calculer {A_-A_+} et {A_+A_-}.
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2) Montrer qu’il existe une unique fonction {\varphi_0} de carré intégrable telle que {H\varphi_0=\varphi_0} et {\varphi_0(0)=1}.
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3) Pour {\varphi_n=A_-^n\varphi_0}, montrer {H\varphi_n=(2n+1)\varphi_n}.
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4) Montrer que {\varphi_n=P_n\varphi_0} avec {P_n} polynomiale.
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Exercice 12. (★★★★★) Problème de Cauchy ; Changement de fonction inconnue ; Équivalents
** Soit {y\in C^2(\mathbb{R}_+,\mathbb{R})\setminus\left\{0\right\}} telle que {y''+e^ty=0}.
a) Montrer que ses zéros sont isolés.

b) Les ranger en une suite strictement croissante {(t_n)} tendant vers l’infini.

c) Donner un équivalent de {t_n}.

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PSI


Exercice 1. (★★★) équations du second ordre ; problème de Cauchy ; intégrabilité
Montrer que l’équation {y''+t\,y/(1+t^3)=0} admet une solution non bornée.
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Exercice 2. (★★★) espace des solutions ; polynôme caractéristique ; problème de Cauchy
Soit {\varphi} continue {2\pi}-périodique, et {\mathrm{Sol}} l’espace des solutions complexes de {y''+\varphi y=0}.
1) Construire {y_1,y_2} de données initiales {(1,0)} et {(0,1)}, et montrer qu’elles forment une base de {\mathrm{Sol}}.
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2) Étudier {\Psi(y)(t)=y(t+2\pi)} sur cet espace.
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3) Montrer que l’existence de {z\ne0} vérifiant {z(t+2\pi)=\lambda z(t)} équivaut à l’annulation du polynôme {X^2-(y_1(2\pi)+y'_2(2\pi))X -y'_1(2\pi)y_2(2\pi)+y_1(2\pi)y'_2(2\pi).}
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4) Montrer que {\lambda\ne0} et {\det\Psi=1}.
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Exercice 3. (★★★) variation de la constante ; intégration par parties ; équivalents
Soit {f\in C^\infty(\mathbb{R},\mathbb{R})} tendant vers zéro en {+\infty}.
a) Montrer que toute solution de {y'+y=f} tend vers zéro.
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b) Si {f(t)\sim t^{-\alpha}} avec {\alpha>0}, donner un équivalent de toute solution.
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PC


Exercice 1. (★★★) Dérivation et composition ; Second ordre à coefficients constants
Déterminer les {f\in C^1(\mathbb{R}_+^\star,\mathbb{R})} telles que {f(1/x)=f'(x)} pour tout {x>0}.
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Exercice 2. (★★★★) Premier ordre ; Solutions homogènes ; Fonctions bornées
Déterminer les entiers {n\geq1} tels que, pour toute {f\in C^n(\mathbb{R}_+)}, la bornitude de {f^{(n)}+f} implique celle de {f}.
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Exercice 3. (★★★) Règle de la chaîne ; Premier ordre
Soit {f_0\in C^1(\mathbb{R})}, {v>0} et {\alpha\in\mathbb{R}}.

Déterminer les solutions {C^1} sur {\mathbb{R}^2} de {f_t+vf_x=\alpha(1-f)}, avec {f(0,x)=f_0(x)}.

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Exercice 4. (★★★★) solutions développables en série entière ; raccordement de solutions ; équations linéaires du second ordre
1) Pour {\lambda\in\mathbb{R}}, existe-t-il une solution développable en série entière de {xy''+(1-x)y'-\lambda y=0} sur {\mathbb{R}} ?
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2) Pour {\lambda=2}, expliciter les solutions sur {\mathbb{R}_+^\star} et {\mathbb{R}_-^\star}, en admettant que chaque espace de solutions a dimension deux.
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3) Déterminer les solutions sur {\mathbb{R}}.
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Exercice 5. (★★★★) limites de fonctions ; équations linéaires du premier ordre ; équivalents
Soient {\lambda>0} et {x,y\in C^1(\mathbb{R}_+,\mathbb{R})} avec {x(0),y(0)>0}, {x'=-xy}, {y'=xy-\lambda y}.

Montrer que {x,y} ont des limites et préciser si elles sont nulles.

Montrer qu’il existe {K,\mu>0} tels que {y(t)\sim Ke^{-\mu t}}.

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Exercice 6. (★★★★) solutions homogènes ; identification des coefficients ; rayon de convergence
Déterminer les solutions sur {\mathbb{R}} de {xy''+y'-4xy=0}. On pourra chercher les solutions développables en série entière.
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Author: Jean-Michel Ferrard

Professeur de mathématiques en classe préparatoire aux grandes écoles.