Équations différentielles — Mines-Ponts

Exercices corrigés des Mines-Ponts sur le thème « équations différentielles », regroupés par filière.

MP–MPI


Exercice 1. (★★★) problème de Cauchy ; second ordre ; primitives
Trouver les fonctions continues réelles sur {\mathbb{R}} telles que {f(2x)=1+\int_0^x(x-t)f(2t)\,dt}.
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Exercice 2. (★★) second ordre ; changement de fonction inconnue ; primitives
Résoudre {y''+4y'+4y=e^{-2t}/(1+t^2)}.
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Exercice 3. (★★★) second ordre ; identification des coefficients ; intégration terme à terme
Soit {f(x)=\int_0^{2\pi}e^{x\sin t}\,dt}.

Montrer {xf''+f'=xf}, déterminer les solutions développables en série entière, puis en déduire {\int_0^{\pi/2}\sin^{2k}t\,dt}.

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Exercice 4. (★) équation homogène ; premier ordre
Résoudre sur {\mathbb{R}} l’équation {y'=x^3y}.
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Exercice 5. (★★★) développement en série entière ; second ordre ; primitives
Déterminer les solutions développables en série entière de {(1+t^2)y''+4ty'+2y=0}.

En déduire les solutions de la même équation avec second membre {1/(1+t^2)}.

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Exercice 6. (★★★) premier ordre ; raccordement de solutions ; régularité
Résoudre {xy'+y=1/(1+x)} sur {]-1,\infty[}.

Existe-t-il une solution {C^\infty} sur cet intervalle ?

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Exercice 7. (★★★) solutions périodiques ; variation des constantes ; premier ordre
Soit {a,b} continues {T}-périodiques, {T>0}, avec {\int_0^Ta\ne0}.

Montrer que {x'=a(t)x+b(t)} possède une unique solution {T}-périodique et étudier le comportement asymptotique des solutions.

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Exercice 8. (★★) dimension ; changement de fonction inconnue ; équations à coefficients constants
Déterminer la dimension et une base de l’espace réel {E_n} des fonctions {C^\infty} telles que {\sum\limits_{k=0}^n\binom nk f^{(k)}=0}.
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Exercice 9. (★★★) racines de l’unité ; équations à coefficients constants ; factorisation
Soit {\omega^n=1}, {n\geq1}.

Résoudre {\sum\limits_{k=0}^n\omega^{n-k}y^{(k)}=0} sur {\mathbb{R}}, à valeurs complexes.

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Exercice 10. (★★★) systèmes à coefficients constants ; diagonalisation ; variation des constantes
Résoudre les trois systèmes {Y'=A_jY+e^t(t,1,t^2)^T}, où {Y=(x,y,z)^T} et {A_1=\begin{pmatrix}0&2&-1\\[4pt]3&-2&0\\[4pt]-2&2&1\end{pmatrix},\quad A_2=\begin{pmatrix}2&3&3\\[4pt]3&2&3\\[4pt]3&2&3\end{pmatrix},\quad A_3=\begin{pmatrix}0&3&2\\[4pt]-2&5&2\\[4pt]2&-3&0\end{pmatrix}.}
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Exercice 11. (★★★) systèmes différentiels ; variation des constantes ; diagonalisation
Résoudre les systèmes {\begin{cases}x'=-x+3y+e^t,\\[4pt]y'=-2x+4y,\end{cases}\qquad \begin{cases}x'=(t+1)x+ty+e^t,\\[4pt]y'=-tx+(1-t)y-e^t,\end{cases}}{\begin{cases}x'=x+8y+te^t,\\[4pt]y'=2x+y+e^{-t}.\end{cases}}
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Exercice 12. (★★) systèmes différentiels ; premier ordre ; nombres complexes
Résoudre {x'=(\cos t)x+(\sin t)y}, {y'=-(\sin t)x+(\cos t)y}.
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Exercice 13. (★★★) théorème spectral ; systèmes différentiels ; inégalités différentielles
Soit {S:\mathbb{R}\to S_n(\mathbb{R})} continue, avec {\operatorname{Sp}S(t)\subset]-\infty,-1]}.

Montrer que toute solution de {X'=S(t)X} tend vers {0} en {+\infty}.

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Exercice 14. (★★★) problème de Cauchy ; second ordre ; équations intégrales
Trouver les fonctions continues réelles telles que {f(x)=-1+\int_0^x(2x-t)f(t)\,dt} sur {\mathbb{R}}.
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Exercice 15. (★★★) variation des constantes ; raccordement de solutions ; premier ordre
Résoudre {(2x-x^2)y'+(x-1)y-1=0} sur tout intervalle ouvert non vide.
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Exercice 16. (★★★★) développement en série entière ; premier ordre ; raccordement de solutions
L’équation {x^2y'+y=x} possède-t-elle une solution développable en série entière autour de {0} ?

Résoudre cette équation sur {\mathbb{R}}.

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Exercice 17. (★★★) second ordre ; inégalités différentielles ; bornitude des solutions
Soit {f:\mathbb{R}_+\to\mathbb{R}_+} continue, {c\geq0} et {F(x)=c+\int_0^xf}, avec {xf(x)\leq F(x)}.

Étudier {F(x)/x} et montrer {f} bornée.

En déduire que toute solution de {g''+xg=0} sur {\mathbb{R}_+} est bornée.

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Exercice 18. (★★★) dimension de l’espace des solutions ; problème de Cauchy ; convexité
Soit {A:\mathbb{R}_+\to S_n^+(\mathbb{R})} continue. Pour {B\ne0}, soit {X} solution de {X''=A(t)X}, {X(0)=X'(0)=B}.

Montrer que {\lVert X(t)\rVert^2} est convexe et tend vers {+\infty}.

Pour {\alpha>0}, montrer que {X\mapsto(X(0),X(\alpha))} est un isomorphisme de l’espace des solutions sur {(\mathbb{R}^n)^2}.

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Exercice 19. (★★) systèmes à coefficients constants ; exponentielle de matrice ; positivité
Soit {A} réelle à coefficients positifs ou nuls et {X'=AX} avec {X(0)\geq0} coordonnée par coordonnée.

Montrer {X(t)\geq0} pour {t\geq0}.

En déduire que, si {a_0,\ldots,a_{n-1}\geq0} et {y^{(n)}=\sum\limits_{k=0}^{n-1}a_ky^{(k)}}, avec {y^{(k)}(0)\geq0}, les fonctions {y,\ldots,y^{(n-1)}} restent positives ou nulles.

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Exercice 20. (★★★) développement en série entière ; intégration terme à terme ; premier ordre
Soit {\lambda>0} et {(E):xy'+\lambda y=1/(1+x)}.

Résoudre sur {]0,\infty[} par une expression intégrale.

Étudier les solutions ayant une limite finie en {0^+} et les solutions analytiques près de {0}.

Calculer {\sum\limits_{n\geq0}(-1)^n/(2^{3n}(3n+1))}.

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Exercice 21. (★★★) problème de Cauchy ; morphismes ; exponentielle de matrice
Pour {f:\mathbb{R}\to M_n(\mathbb{R})} dérivable, montrer l’équivalence entre {f(0)=I}, {f'(x)=f'(0)f(x)} et les identités {f(x+y)=f(x)f(y)}, {\det f(x)\ne0} pour tout {x}.

Dans la seconde condition, suffit-il qu’un seul {f(x_0)} soit inversible ?

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Exercice 22. (★★★) déterminants par blocs ; éléments propres ; systèmes différentiels
1) Si {CD=DC}, montrer {\det\left(\begin{smallmatrix}A&B\\[4pt]C&D\end{smallmatrix}\right)=\det(AD-BC)}.

2) Pour {A} inversible, montrer que {\lambda} est propre pour {\left(\begin{smallmatrix}0&A^{-1}C\\[4pt]I&A^{-1}B\end{smallmatrix}\right)} exactement lorsqu’il existe {x\ne0} tel que {y(t)=e^{\lambda t}x} résolve {Ay''-By'-Cy=0}.

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Exercice 23. (★★★) degré ; équation différentielle ; identités trigonométriques
Pour {\alpha\ne0}, déterminer quand {g_\alpha(x)=\cos(\alpha\arcsin x)} sur {[-1,1]} est polynomiale.
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Exercice 24. (★★★) exponentielle de matrice ; problème de Cauchy ; morphismes
Pour {f:\mathbb{R}\to\mathcal M_n(\mathbb{R})} dérivable, montrer l’équivalence entre {f(0)=I}, {f'(x)=f'(0)f(x)}, et {f(x+y)=f(x)f(y)} avec {\det f(x)\ne0} pour tout {x}.
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Exercice 25. (★★★) dérivation sous l’intégrale ; second ordre ; problème de Cauchy
Pour {f(x)=\int_{\mathbb{R}}e^{tx-t^2}dt}, justifier la régularité {C^2} et trouver une équation différentielle.

Résoudre {-2y''+xy'+y=0}, {y(0)=\sqrt\pi}, {y'(0)=0}.

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Exercice 26. (★★★) variation des constantes ; intégrabilité ; premier ordre
Pour {a,b:\mathbb{R}_+\to\mathbb{R}_+} continues, montrer que toutes les solutions de {y'=ay+b} sont bornées exactement si {a,b} sont intégrables.
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Exercice 27. (★★) second ordre ; équations à coefficients constants ; composition
Déterminer les fonctions dérivables {y:\mathbb{R}\to\mathbb{R}} telles que {y'(x)=y(\pi-x)}.
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Exercice 28. (★★★) Problème de Cauchy ; Équations différentielles du premier ordre ; Dérivées successives
Pour {f(0)=0}, {f(x)=e^{-1/x^2}} si {x\ne0}, montrer {f\in C^\infty}.

Est-elle solution d’une équation différentielle linéaire homogène ?

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Exercice 29. (★★★★) raccordement de solutions ; unicité ; premier ordre
Résoudre {y'+|y|=1} sur {\mathbb{R}}.
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Exercice 30. (★★★) racines de l’unité ; équations à coefficients constants ; factorisation
Pour {\omega^n=1}, déterminer les solutions complexes de {\sum\limits_{k=0}^n\omega^{n-k}y^{(k)}=0}.
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Exercice 31. (★★★) équations à coefficients constants ; problème de Cauchy ; dérivées successives
Montrer que {f(0)=0}, {f(x)=e^{-1/x^2}} hors de zéro, n’est solution d’aucune équation différentielle linéaire homogène à coefficients constants, de quelque ordre que ce soit.
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Exercice 32. (★★★) projecteurs spectraux ; solutions particulières ; systèmes à coefficients constants
Résoudre {x'=2x+3y+3z+te^t}, {y'=3x+2y+3z+e^t}, {z'=3x+3y+2z+t^2e^t}.
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Exercice 33. (★★★) systèmes à coefficients constants ; projecteurs spectraux ; solutions particulières
Résoudre les systèmes {x'=x+2y-z+e^t}, {y'=2x+4y-2z+te^t}, {z'=-x+2y+z+t^2e^t}, puis {x'=x+8y+te^t}, {y'=2x+y+e^{-t}}.
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Exercice 34. (★★★★) identification des coefficients ; rayon de convergence ; second ordre
Déterminer et exprimer à l’aide des fonctions usuelles les solutions analytiques en zéro de {2xy''-y'+2y=0}.
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Exercice 35. (★★★) Séries entières ; second ordre ; identification des coefficients
Résoudre sur {\mathbb{R}} : {(1+t^2)y''+4ty'+2y=0}, en cherchant des séries entières, puis {(1+t^2)y''+4ty'+2y=1/(1+t^2)}.
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Exercice 36. (★★★★) bornitude des solutions ; solutions particulières ; second ordre
Pour {y''-y=|\cos x|}, existe-t-il des solutions positives ? Bornées ? Positives et bornées ?
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Exercice 37. (★★★) solutions périodiques ; premier ordre ; variation des constantes
Pour {a,b} continues {2\pi}-périodiques, considérer {y'+ay+b=0}, {A(x)=\int_0^xa}, {I=A(2\pi)}.

Quand {A} est-elle périodique ?

Montrer la stabilité des solutions par translation de {2\pi}.

Étudier les solutions périodiques selon {I\ne0} ou {I=0}, et illustrer.

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Exercice 38. (★★★) dérivation sous l’intégrale ; identification des coefficients ; second ordre
Pour {f(x)=\int_0^{2\pi}e^{x\sin t}dt}, montrer {xf''+f'=xf} et déterminer les solutions analytiques sur {\mathbb{R}} de cette équation.
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Exercice 39. (★★★) intégrabilité ; inégalités différentielles ; primitives
Établir l’inégalité de Gronwall : si {f,g\ge0} continues et {f(x)\le A+\int_0^xfg}, alors {f(x)\le Ae^{\int_0^xg}}. Pour {x''+a(t)x=b(t)}, avec {b} et {ta(t)} intégrables sur {\mathbb{R}_+}, établir la formule intégrale depuis {1}, puis une borne uniforme {|x(t)|/t\le K\exp(\int_1^tu|a(u)|du)} pour {t\ge1}.
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Exercice 40. (★★) exponentielle de matrice ; problème de Cauchy ; polynômes annulateurs
Pour {A\in\mathcal M_n(\mathbb{R})}, {A^2=-I}, expliciter les solutions de {X'=AX}.
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Exercice 41. (★★★★) exponentielle de matrice ; sous-espaces caractéristiques ; diagonalisation
Pour {A\in\mathcal M_n(\mathbb{C})}, quand toutes les solutions de {X'=AX} sont-elles bornées sur {\mathbb{R}} ?
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Exercice 42. (★★★★) dérivées partielles ; règle de la chaîne ; premier ordre
Déterminer les {f\in C^2((\mathbb{R}_+^\star)^2)} vérifiant {x^2f_{xx}-y^2f_{yy}=0}. Indication : {u=xy}, {v=x/y}.
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Exercice 43. (★★★) coordonnées polaires ; règle de la chaîne ; premier ordre
Pour {K\in\mathbb{R}}, résoudre sur {]0,\infty[\times\mathbb{R}} l’équation {xf_y-yf_x=Kf} parmi les fonctions {C^1}.
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Exercice 44. (★★★) normes équivalentes ; second ordre ; problème de Cauchy
On pose {E=\left\{f\in C^2([0,1],\mathbb{R}):f(0)=f'(0)=0\right\}}.
1) Montrer que {\lVert f\rVert=\lVert f+2f'+f''\rVert_\infty} définit une norme sur {E}.

2) Cette norme et {\lVert \cdot\rVert_\infty} sont-elles équivalentes sur {E} ?

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Exercice 45. (★★★★) degré ; premier ordre ; pôles
Montrer que {x\mapsto e^{x^2}} n’admet pas de primitive de la forme {x\mapsto f(x)e^{x^2}}, où {f} est une fonction rationnelle réelle.
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Exercice 46. (★★★) variation des constantes ; premier ordre ; limites
Soit {f\in C^1(\mathbb{R}_+,\mathbb{R})} telle que {f'(t)+f(t)\to0}.

Montrer que {f(t)\to0}.

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Exercice 47. (★★★★) dérivées successives ; théorème de Rolle ; problème de Cauchy
Soit {f(x)=e^{-1/x^2}} pour {x\ne0}, prolongée par continuité en {0}.
1) Montrer que {f} est {C^\infty} sur {\mathbb{R}}.
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2) Montrer que {f} n’est solution d’aucune équation différentielle linéaire homogène.
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3) Pour {f^{(n)}(x)=P_n(1/x)f(x)}, déterminer le degré et le coefficient dominant de {P_n}.
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4) Montrer que les {P_n} sont scindés sur {\mathbb{R}}.
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Exercice 48. (★★★) intégration par parties ; positivité de l’intégrale ; premier ordre
Soit {E=\left\{f\in C^1([0,1],\mathbb{R}):f(0)=f(1)=0\right\}}.
1) Montrer la convergence de {I_1=\int_0^1ff'\cot(\pi t)dt} et {I_2=\int_0^1f^2(1+\cot^2(\pi t))dt}. Les comparer.

2) Montrer que {\int_0^1(f')^2\ge\pi^2\int_0^1f^2}. Pour quelles fonctions y a-t-il égalité ?

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Exercice 49. (★★★) équations à coefficients constants ; second ordre ; dérivation et composition
Trouver toutes les fonctions dérivables {f:\mathbb{R}_+^\star\to\mathbb{R}} telles que {f'(x)=f(1/x)} pour tout {x>0}.
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Exercice 50. (★★★) variation des constantes ; intégration par parties ; second ordre
Soit {f:\mathbb{R}_+\to\mathbb{R}} de classe {C^1}, monotone et admettant une limite finie à l’infini.

Montrer que les solutions de {y''+y=f} sont bornées.

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Exercice 51. (★★★★) Séries entières ; identification des coefficients ; structure des solutions
On considère {2xy''+y'-y=0}.
1) Montrer qu’il existe une unique solution sur {\mathbb{R}} avec {f(0)=1} et somme d’une série entière.

2) Donner une expression usuelle de {f}.

3) Résoudre l’équation à l’aide du changement {y=zf}.

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Exercice 52. (★★★) dérivation et composition ; second ordre ; équations à coefficients constants
Résoudre {(1+x^2)y''+xy'-y=0}.
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Exercice 53. (★) premier ordre ; primitives ; développements usuels
Déterminer une solution de {y''+xy'+y=1} développable en série entière au voisinage de {0}.
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Exercice 54. (★★) second ordre ; solutions particulières ; équations à coefficients constants
1) Résoudre {ax^2y''+bxy'+cy=0} sur {]0,+\infty[} avec {t=\log x}.

2) Résoudre {x^2y''+xy'+y=\sin(a\log x)}.

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Exercice 55. (★★★★) Intégration sur un intervalle quelconque ; premier ordre ; variation des constantes
Soit {n\in\mathbb{N}} et {(1+x^n)(1-x^2)y'+2x(1+x^n)y=2(1-x^2)}.

Trouver les solutions sur {]-1,1[}.

Existe-t-il une solution sur {\mathbb{R}} ?

Existe-t-il une solution bornée sur {]1,+\infty[} ?

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Exercice 56. (★★★) second ordre ; structure des solutions ; intégrabilité
Soit {f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}} continue bornée.

Déterminer les fonctions {y\in C^2(\mathbb{R},\mathbb{R})} bornées telles que {y''-y=f}.

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Exercice 57. (★★★) Séries entières ; dérivation terme à terme ; intégration par parties
Soit {y} solution sur {]0,+\infty[} de {xy''+y'+xy=0}.
1) Poser {u(x)=\sqrt x\,y(x)} et déterminer son équation.

2) Pour {v''+v=0}, montrer que {\int_a^bu(x)v(x)/(4x^2)dx=(uv'-u'v)(b)-(uv'-u'v)(a)}.

3) Montrer que, pour tout {a>0}, {y} s’annule en un point de {[a,a+\pi[}.

4) En déduire que {\sum\limits_{n\ge0}(-1)^nx^{2n}/(4^n(n!)^2)} s’annule une infinité de fois.

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Exercice 58. (★★) intégration des relations de comparaison ; second ordre ; premier ordre
Soit {\mathcal S} l’ensemble des solutions de {xy''+xy'-y=0} sur {]0,+\infty[}.
1) Trouver {\alpha} tel que {x^\alpha} soit solution.

2) Étudier les variations de {G(x)=\int_1^xe^{-t}/t^2dt}.

3) Pour {s(x)=xf(x)}, caractériser {s\in\mathcal S} par une équation sur {f'} et la résoudre.

4) Expliciter {\mathcal S} avec {G} et étudier les limites en {0^+}.

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Exercice 59. (★★★) Intégration sur un intervalle quelconque ; variation des constantes ; intégration par parties
Soit {f:\mathbb{R}_+\to\mathbb{R}} monotone de classe {C^1}, admettant une limite réelle en {+\infty}.

Montrer que les solutions de {y''+y=f} sont bornées sur {\mathbb{R}_+}.

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Exercice 60. (★★★) variation des constantes ; positivité de l’intégrale ; second ordre
Soit {f\in C^2(\mathbb{R},\mathbb{R})} telle que {f''+f\ge0}.

Montrer que {f(t)+f(t+\pi)\ge0} pour tout {t\in\mathbb{R}}.

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Exercice 61. (★★★★) systèmes à coefficients constants ; exponentielle de matrice ; diagonalisation
Résoudre les deux systèmes {\begin{cases}x'=2x+3y+3z+te^t,\\[4pt]y'=3x+2y+3z+e^t,\\[4pt] z'=3x+3y+2z+t^2e^t,\end{cases}\qquad \begin{cases}x'=2y-z+te^t,\\[4pt]y'=3x-2y+e^t,\\[4pt] z'=-2x-2y+z+t^2e^t.\end{cases}}
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Exercice 62. (★★) systèmes à coefficients constants ; produit scalaire ; dérivation
Soit {A\in M_n(\mathbb{R})}.

Montrer que {A} est antisymétrique si et seulement si toutes les solutions de {Y'=AY} ont une norme euclidienne constante.

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Exercice 63. (★★★★) problème de Cauchy ; structure des solutions ; éléments propres
Soient {T>0} et {A:\mathbb{R}\to M_n(\mathbb{C})} continue {T}-périodique.

Montrer qu’il existe {\lambda\in\mathbb{C}^\star} et une solution {X} non identiquement nulle de {X'=A(t)X}, avec {X(t+T)=\lambda X(t)} pour tout {t}.

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Exercice 64. (★★★★★) premier ordre ; Espérance, variance et covariance ; identification des coefficients
Soient {k\le n} dans {\mathbb{N}}. Un parking a {n} places consécutives. Des véhicules occupant chacun {k} places consécutives sont placés successivement au hasard parmi les emplacements disponibles, jusqu’à saturation. Soit {B_j} l’événement où le premier véhicule occupe les places {j,\ldots,j+k-1}, et {X_n} le nombre de places résiduelles libres à la fin.
1) Montrer que {\mathbb{P}_{B_j}(X_n=i)=\mathbb{P}(X_{j-1}+X_{n-j-k+1}=i-k)}, puis que {\mathbb E(X_n)=k+2\sum\limits_{\ell=0}^{n-k}\mathbb E(X_\ell)/(n-k+1)}.

2) Poser {S_n=\sum\limits_{j=0}^n\mathbb E(X_j)}.

Montrer que {f(t)=\sum\limits_{n\ge0}S_nt^n} est définie sur {]0,1[} et vérifie une équation différentielle linéaire du premier ordre.

3) Expliciter {f} et en déduire une expression de {\mathbb E(X_n)}.

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Exercice 65. (★★★) normes équivalentes ; second ordre ; variation des constantes
Soit {E=\left\{f\in C^2([0,1],\mathbb{R}):f(0)=f'(0)=0\right\}} et {N(f)=\lVert f+2f'+f''\rVert_\infty}.
1) Montrer que {N} est une norme.
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2) Si {g=f+2f'+f''}, exprimer {f} en fonction de {g}.
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3) Montrer qu’il existe {a>0} tel que {\lVert f\rVert_\infty\le aN(f)} pour tout {f\in E}.
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4) Les normes {N} et {\lVert \cdot\rVert_\infty} sont-elles équivalentes ?
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Exercice 66. (★★) produit de Cauchy ; exponentielle de matrice ; dérivation des applications multilinéaires
Pour {A,B\in\mathcal M_n(\mathbb{C})}, montrer l’équivalence entre {AB=BA} et {e^{t(A+B)}=e^{tA}e^{tB}} pour tout {t\in\mathbb{R}}.
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Exercice 67. (★★★) équations linéaires du premier ordre ; variation de la constante ; intégrabilité
Soit {f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}} continue et intégrable.

Montrer que {y'-y+f=0} possède une unique solution bornée sur {\mathbb{R}}.

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Exercice 68. (★★★★) équations linéaires du second ordre ; problème de Cauchy ; convergence uniforme
On considère {(E):6(1+t^2)y''-2y=t}.
1) Déterminer une solution polynomiale non nulle {\varphi} de {(1+t^2)y''-2y=0}.
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2) Résoudre {(E)} grâce au changement {y=\varphi z}.
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Exercice 69. (★★★) problème de Cauchy ; équations linéaires du second ordre ; intégration par parties
Soient {k\ge1} entier et {f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}} continue {2\pi}-périodique. L’équation {y''+k^2y=f} possède-t-elle une solution {2\pi}-périodique ?
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Exercice 70. (★★★) problème de Cauchy ; équations linéaires du second ordre ; intégration par parties
Soient {\varphi:\mathbb{R}\to\mathbb{R}} continue et {K>0}.

Montrer que toute solution non nulle de {y''+\varphi(x)y'-Ky=0} s’annule au plus une fois.

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Exercice 71. (★★★) variation des constantes ; équations linéaires du second ordre ; positivité de l’intégrale
Soit {f\in C^2(\mathbb{R},\mathbb{R})} avec {f+f''\ge0}.

Montrer que {f(x)+f(x+\pi)\ge0} pour tout {x}.

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Exercice 72. (★★★★) rayon de convergence ; changement de variable ; unicité des coefficients
Soit {(*)} l’équation {2xy''+y'-y=0}.
1) Trouver une solution développable en série entière près de zéro et vérifiant {f(0)=1}.
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2) L’exprimer avec les fonctions usuelles.
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3) Déterminer toutes les solutions.
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Exercice 73. (★★★★) valeurs propres et espaces propres ; unicité des coefficients ; équations linéaires du second ordre
Sur {E=C^\infty(\mathbb{R},\mathbb{R})}, on définit {\phi(f)(t)=f'(t)+tf(t)}.
1) Déterminer les éléments propres de {\phi}.
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2) Déterminer ceux de {\phi^2}.
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3) Résoudre {y''+2ty+(t^2+3)y=0}.
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Exercice 74. (★★★) équations linéaires du second ordre ; changement de variable ; intégration des équivalents
On considère {(E):ty''+ty'-y=0} sur {\mathbb{R}_+^\star}.
1) Déterminer les {a\in\mathbb{R}} tels que {t\mapsto t^a} soit solution.
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2) Pour {g(t)=e^{-t}/t^2} et {G(t)=\int_1^tg(s)\,ds}, étudier les variations et les limites de {G} en zéro et à l’infini.
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3) Si {h(t)=tf(t)}, montrer que {h} résout {(E)} exactement lorsque {f'} résout {z'+(1+2/t)z=0}.
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4) Résoudre {(E)} et étudier les solutions en {0^+}.
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Exercice 75. (★★★) développement en série entière ; dérivation sous l’intégrale ; problème de Cauchy
On considère {-2y''+xy'+y=0}, avec {y(0)=\sqrt\pi}, {y'(0)=0}.
1) Montrer l’existence et l’unicité d’une solution développable en série entière sur {\mathbb{R}} et l’expliciter.
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2) Pour {f(x)=\int_{-\infty}^{+\infty}e^{tx-t^2}\,dt}, montrer que {f} est {C^2} et la calculer.
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Exercice 76. (★★★★) changement de variable ; équations linéaires du second ordre ; équations à coefficients constants
Déterminer les {f\in C^1(\mathbb{R}_+^\star,\mathbb{R})} telles que {f'(1/x)=-f(x/2)} pour tout {x>0}.
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Exercice 77. (★★★) équations linéaires du second ordre ; Intégration sur un intervalle quelconque ; monotonie
Soit {q:\mathbb{R}_+\to\mathbb{R}_+^\star} continue. Supposons que {y''+q(x)y=0} possède une solution strictement positive {y}, et posons {f=y'/y}.
1) Donner une équation du premier ordre vérifiée par {f}.
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2) Montrer que {f} est décroissante et strictement positive.
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3) Montrer que {q} est intégrable et {\int_x^\infty q(t)\,dt=O(1/x)}.
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Exercice 78. (★★) systèmes différentiels linéaires ; matrices antisymétriques ; problème de Cauchy
Pour {A\in\mathcal M_n(\mathbb{R})}, montrer l’équivalence entre : {A} est antisymétrique ; toute solution de {X'=AX} a une norme euclidienne constante.
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Exercice 79. (★★★) formule de Taylor avec reste intégral ; majorations d’intégrales ; primitives
1) Soient {f,g:\mathbb{R}_+\to\mathbb{R}_+^\star} continues et {A>0} avec {f(x)\le A+\int_0^xf(t)g(t)\,dt}.

Montrer que {f(x)\le A\exp(\int_0^xg)}.

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2) Soient {a,b} continues, avec {b} et {u\mapsto ua(u)} intégrables sur {\mathbb{R}_+}.

Si {x''+ax=b}, montrer pour {t\ge0} que {x(t)=x(1)+(t-1)x'(1)-\int_1^t(t-u)a(u)x(u)\,du +\int_1^t(t-u)b(u)\,du.}

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Exercice 80. (★★★) systèmes différentiels linéaires ; variation des constantes ; diagonalisation
Résoudre les systèmes {\begin{cases}x'=7x+3y+te^t,\\[4pt]y'=3x-y+e^t,\end{cases}\qquad \begin{cases}x'=2x-y-z,\\[4pt]y'=-x+y+z,\\[4pt]z'=x+2y+2z,\end{cases}}{\begin{cases}x''=9x+10y,\\[4pt]y''=-5x-6y,\end{cases}\qquad \begin{cases}x'=(t+3)x+2y,\\[4pt]y'=-4x+(t-3)y.\end{cases}}
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Exercice 81. (★★) problème de Cauchy ; exponentielle de matrice ; systèmes différentiels linéaires
Soit {A\in\mathcal M_{2n}(\mathbb{R})} avec {A^2+I_{2n}=0}.

Déterminer les solutions de {X'=AX}.

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PSI


Exercice 1. (★★★★) Changement de variable ; Dérivation sous l’intégrale ; Second ordre
Soit {f(x)=\int_0^\infty e^{-t-x/t}/\sqrt t\,dt}.

Montrer son existence sur {\mathbb{R}_+}. Montrer qu’elle est {C^2} sur {]0,+\infty[} et vérifie {2xy''+y'-2y=0}. Résoudre cette équation avec {y(x)=z(\sqrt x)} et expliciter {f}.

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Exercice 2. (★★) Second ordre ; Théorème de Cauchy linéaire ; Variation des constantes
Considérer {y''=(x^2-1)y}.

Montrer qu’une solution avec {y(0)=0} est impaire, et qu’une solution avec {y'(0)=0} est paire.

Trouver {a} pour lequel {e^{ax^2}} est solution.

Avec {y=u e^{-x^2/2}}, obtenir une équation pour {u} et décrire toutes les solutions à l’aide de {v(x)=\int_0^xe^{t^2}\,dt}.

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Exercice 3. (★★★) Second ordre ; Coefficients constants ; Raccordement de solutions
Pour {a,b\in\mathbb{R}}, montrer qu’il existe une unique solution de {y''-4y=a|x|+b} ayant des asymptotes en {\pm\infty}.
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Exercice 4. (★★★) Intégrabilité ; Second ordre ; Majoration d’intégrales
Soient {u} continue intégrable sur {\mathbb{R}_+} et {f\in C^2} telle que {f''+(1+u)f=0}.

Poser {g(x)=f(x)+\int_0^x\sin(x-t)f(t)u(t)dt}.

Trouver une équation pour {g}, en déduire une constante {c\geq0} telle que {|f(x)|\leq c+\int_0^x|f(t)u(t)|dt}, puis montrer que {f} est bornée.

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Exercice 5. (★) Systèmes linéaires ; Dérivation du produit scalaire
Dans {\mathbb{R}^3} euclidien, soit {A\in A_3(\mathbb{R})} et {X_0} une solution de {X'(t)=A(t)X(t)}.

Montrer que {\left\{X_0(t):t\in\mathbb{R}\right\}} est inclus dans une sphère de centre zéro.

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Exercice 6. (★★★) Séries entières ; Intégration sur un intervalle quelconque ; dérivation terme à terme
Soit {f(x)=\sum\limits_{n\ge0}(-1)^nx^{2n}/(2^nn!)^2}.

Déterminer son domaine, une équation différentielle, puis calculer {\int_0^\infty f(t)e^{-xt}dt} pour {x>1}.

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Exercice 7. (★★★) rayon de convergence ; intégration terme à terme ; équations du premier ordre
Soit {a_n=\int_0^1((1+t^2)/2)^ndt} et {f(x)=\sum\limits a_nx^n}, de rayon {R}.
1) Montrer {2^{-n}\le a_n\le1} et encadrer {R}.

2) Montrer {(2n+3)a_{n+1}=1+(n+1)a_n}.

3) En déduire {(2x-x^2)f'+(1-x)f=\sum\limits_{n\ge0}x^n}.

4) Résoudre pour {|x|\lt 1}.

5) Retrouver la somme en intégrant la série géométrique sous l’intégrale.

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Exercice 8. (★★★) dérivation sous l’intégrale ; changement de variable ; équations du second ordre
Soit {f(x)=\int_0^\infty e^{-t-x/t}/\sqrt t\,dt}.
1) Montrer qu’elle est définie sur {\mathbb{R}_+}.

2) Montrer qu’elle est {C^2} et solution de {2xy''+y'-y=0}.

3) Résoudre l’équation avec {y(x)=z(\sqrt x)}.

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Exercice 9. (★★★) solution particulière ; équations du second ordre ; raccordements
Pour {x^2y''-2xy'+2y=2(1+x)}, trouver les solutions homogènes {x^\alpha}, une solution particulière sur chaque demi-droite, puis dire s’il existe des solutions sur {\mathbb{R}}.
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Exercice 10. (★★) Réduction des endomorphismes et des matrices ; bases de fonctions ; espaces propres
Soit {f_{a,b,c}(t)=(be^t+ce^{-t},\ 2a-be^t,\ a+ce^{-t})^T} et {F=\left\{f_{a,b,c}:(a,b,c)\in\mathbb{R}^3\right\}}.

Donner sa structure vectorielle, sa dimension et une base ; trouver {M} tel que {f'=Mf} pour tout {f\in F}, puis son inversibilité et son spectre.

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Exercice 11. (★★) règle de la chaîne ; coordonnées polaires ; équations du premier ordre
Sur {(\mathbb{R}_+^\star)^2}, résoudre pour {f\in C^1} :
1) {x\partial_xf+y\partial_yf=\alpha f}, {\alpha\in\mathbb{R}}.

2) {x\partial_xf+y\partial_yf=\sqrt{x^2+y^2}\,f}.

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Exercice 12. (★★★) règle de la chaîne ; équations du second ordre ; dérivées partielles secondes
Résoudre {(1-t^2)y''-2ty'=0} sur {I=]-1,1[}. Pour {f\in C^2(I)}, poser {g(x,y)=f(\cos(2x)/\cosh(2y))}.

Déterminer les {f} donnant {g} non constante et de laplacien nul, sur l’ouvert où son argument appartient à {I}.

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Exercice 13. (★★) règle de la chaîne ; dérivées partielles secondes ; équations du premier ordre
Sur {\mathbb{R}^n}, poser {\rho(x)=\lVert x\rVert^2} et montrer sa classe {C^2}.

Pour {g\in C^2(\mathbb{R}_+^\star)}, déterminer celles telles que {f(x)=g(\lVert x\rVert^2)} soit harmonique hors de {0}.

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Exercice 14. (★★★★★) dérivées successives ; équations homogènes du second ordre ; primitives
Pour {f\in C^0(\mathbb{R},\mathbb{R})}, on considère {(*)\qquad f(x+y)f(x-y)=f(x)^2-f(y)^2.}
1) Montrer qu’une fonction vérifiant {(*)} est {C^2} et vérifie {f''=\lambda f} pour un réel {\lambda}.

2) Déterminer toutes les solutions.

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Exercice 15. (★★★★) Espaces vectoriels et applications linéaires ; équations avec second membre ; primitives
Soient {E=C^0([0,1],\mathbb{R})} et {k(x,t)=\begin{cases}t^2/x&x>t,\\[4pt]x/t^2&x\lt t,\\[4pt]x&x=t,\end{cases} \quad (x,t)\in[0,+\infty[^2.}Pour {f\in E}, soit {T(f)(x)=\int_0^1k(x,t)f(t)dt}.
1) Montrer que pour {0\lt x\leq1}, {T(f)(x)=\frac1x\int_0^xt^2f(t)dt+x^2\int_x^1\frac{f(t)}t\,dt.}
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2) Montrer que {T(f)\in E} et calculer {T(f)(0)}.
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3) Montrer que {T} est un endomorphisme de {E}.
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4) (i) Montrer que {T(f)} est {C^1} sur {[0,1]} et calculer {T(f)'(0)}.

(ii) Montrer qu’elle est {C^2} sur {]0,1]}.

(iii) Résoudre {y''-2y/x^2=-3f}, en cherchant les solutions homogènes sous la forme {x^n}.

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Exercice 16. (★★) solutions particulières ; composition d’endomorphismes ; facteur intégrant
Soient {E=C^\infty(\mathbb{R},\mathbb{R})}, {p\in E} et {\varphi(y)=y'+py}.
1) Montrer que {\varphi} est un endomorphisme.
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2) Montrer que {\operatorname{Im}\varphi^2\subset\operatorname{Im}\varphi}.

Si {g=\varphi^2(f)}, trouver un antécédent de {g} par {\varphi}.

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3) Pour toute la suite, {p=\tanh}.

Calculer {\varphi^2(g)}.

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4) Pour {y''+2\tanh(x)y'+y=\cosh^2x}, chercher une solution particulière {a+b\cosh^2x}.
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5) Résoudre {y'+\tanh(x)y=\cosh^2x}.
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Exercice 17. (★★★★★) espace des solutions ; équations du premier ordre ; problème de Cauchy
Déterminer toutes les fonctions continues {f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}} telles que l’équation {y''+y'+fy=0} admette une base de solutions de la forme {(g^2,g)}, avec {g\in C^2(\mathbb{R},\mathbb{R})}.
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Exercice 18. (★★) unicité du problème de Cauchy ; parité ; réduction de l’ordre
On considère {(E):y''=(x^2-1)y}.
1) Si {y(0)=0}, montrer que {y} est impaire ; si {y'(0)=0}, montrer qu’elle est paire. Indication : utiliser le théorème de Cauchy linéaire.
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2) Pour quelles valeurs de {a} la fonction {e^{ax^2}} est-elle solution ?
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3) Pour {u\in C^2(\mathbb{R},\mathbb{R})}, déterminer l’équation sur {u} équivalente au fait que {ue^{-x^2/2}} soit solution.
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4) Exprimer toutes les solutions à l’aide de {\phi(x)=\int_0^xe^{t^2}dt}.
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PC


Exercice 1. (★★★★) Variation de la constante ; Intégrabilité ; Premier ordre
Soit {a>0}. Si {f\in C^1(\mathbb{R},\mathbb{C})} et {f'+af} est intégrable sur {\mathbb{R}_+}, montrer que {f} l’est.

Donner un exemple où {f} est intégrable mais pas {f'+af}.

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Exercice 2. (★★★) Noyau ; Éléments propres ; Premier ordre
Soit {E} l’espace des fonctions réelles bornées de classe {C^1} sur {\mathbb{R}_+}. Pour {a>0} et {f\in E}, considérer {y'-ay=f}.

Montrer qu’il existe une unique solution bornée {\varphi(f)\in E}.

Montrer que {\varphi} est un endomorphisme, déterminer son noyau, ses valeurs propres et ses sous-espaces propres.

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Exercice 3. (★★★★) équation linéaire du premier ordre ; équations fonctionnelles ; forme exponentielle
Soit {\mathbb{U}} le cercle unité et {g:\mathbb{U}\to\mathbb{U}} continue multiplicative.

Poser {f(t)=g(e^{it})} et {F(t)=\int_0^tf(s)ds}.

Trouver l’équation fonctionnelle de {f}, montrer sa régularité {C^1}, puis {f(t)=e^{i\lambda t}} et {g(z)=z^n} pour un entier {n}.

Déterminer ensuite toutes les applications continues multiplicatives de {\mathbb{C}^\star} dans lui-même.

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Exercice 4. (★★★★★) équation linéaire du second ordre ; équations fonctionnelles ; régularité
Déterminer les fonctions continues {f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}} telles que {f(x+y)f(x-y)=f(x)^2-f(y)^2}.
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Exercice 5. (★★★★) valeurs propres ; systèmes différentiels linéaires ; comportement asymptotique
Soit le système {x'=-8x+y-5z}, {y'=3x+6z}, {z'=16x+y+10z}.

À quelles conditions sur {M(0)=(x(0),y(0),z(0))} la solution a-t-elle une limite finie en {+\infty}, ou est-elle périodique ?

Dans ce dernier cas, donner un plan contenant la trajectoire.

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Exercice 6. (★★★) équation linéaire du second ordre ; décomposition paire-impaire
Résoudre dans {C^2(\mathbb{R},\mathbb{R})} : {f''(x)+f(-x)=x}.
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Exercice 7. (★★★) équation linéaire du premier ordre ; dérivation d'une composée ; dérivées partielles
Soit {f:\mathbb{R}^2\to\mathbb{R}} de classe {C^1}. On dit qu’elle est homogène de degré {n} si {f(tx,ty)=t^nf(x,y)} pour tout {t\in\mathbb{R}}.

Montrer que cela équivaut à {xf_x+yf_y=nf}.

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Exercice 8. (★★★) intégration par parties ; positivité de l’intégrale ; premier ordre
Pour {f\in C^2([0,1])} avec {f(0)=f(1)=0} :
a) Justifier {I(f)=\int_0^1\cot(\pi t)f'(t)f(t)dt} et montrer {I(f)=\frac\pi2\int_0^1f(t)^2/\sin^2(\pi t)dt}.

b) En considérant {\int_0^1(\pi\cot(\pi t)f(t)-f'(t))^2dt}, montrer {\int_0^1(f')^2\ge\pi^2\int_0^1f^2}.

c) Déterminer les cas d’égalité.

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Exercice 9. (★★★) variation de la constante ; premier ordre ; formule de Leibniz
Soit {a_n=a_{n-1}+(n-1)a_{n-2}} pour {n\ge2}.

Trouver {f} de classe {C^\infty} au voisinage de {0} telle que {f^{(n)}(0)=a_n} pour tout {n\in\mathbb{N}}.

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Exercice 10. (★★) formes linéaires ; variation de la constante ; premier ordre
Soient {E=C^0([0,1],\mathbb{R})}, {F=C^\infty([0,1],\mathbb{R})}, {\lambda_1,\ldots,\lambda_n\in\mathbb{R}}, et {u\in E}.
a) Résoudre {x_i'=\lambda_ix_i+u}.

b) Noter {\varphi_i(u)} la valeur en {1} de la solution nulle en {0} et {\Phi(u)=(\varphi_i(u))}.

Montrer leur linéarité.

c) Pour {f_i(s)=e^{\lambda_i(1-s)}}, montrer que {(\varphi_i)} est libre si et seulement si {(f_i)} l’est.

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Exercice 11. (★★★) intégration par parties ; premier ordre ; équivalents
Soit {(C):y'+2xy=1}, {y(0)=0}.
1) Justifier l’existence et l’unicité de sa solution {\phi}.
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2) L’exprimer par une intégrale sans chercher à la calculer.
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3) En utilisant {t^2\leq tx} pour {0\leq t\leq x}, déterminer son comportement en {+\infty}.
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4) Montrer que {e^{-x^2}\int_{x/2}^xe^{t^2}/t^2\,dt=o(1/x)}.
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5) Donner un équivalent simple de {\phi}.
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Exercice 12. (★★★) solutions particulières ; second ordre à coefficients constants ; positivité et majorations
Soit {q\in C^0(\mathbb{R},\mathbb{R})} et {(E):y''+y=q}.
1) Donner toutes les solutions.
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2) Si une solution {f} vérifie {f''+f\geq0}, montrer que {f(x+\pi)+f(x)\geq0} pour tout {x}.
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3) Si une solution vérifie {f(a+\pi)+f(a)=0} pour un réel {a}, montrer qu’elle est de la forme {\lambda\cos+\mu\sin}.
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Author: Jean-Michel Ferrard

Professeur de mathématiques en classe préparatoire aux grandes écoles.