Équations différentielles — Centrale-Supélec

Exercices corrigés de Centrale-Supélec sur le thème « équations différentielles », regroupés par filière.

MP–MPI


Exercice 1. (★★★★) rayon de convergence ; sommation par paquets ; systèmes à coefficients constants
1) Résoudre {y'+y=e^x}.
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2) Tracer {p(x)=xe^{-x}}, déterminer les antécédents de {\pm1/e}, et montrer que {p} est bijective sur {]-\infty,1]}.

Noter {\Phi} sa réciproque.

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3) Pour {S_N(x)=\sum\limits_{n=1}^Nn^{n-1}x^n/n!}, déterminer le rayon, tracer {S_8(p(x))} sur {[0,1/3]} puis {[0,1]}, et conjecturer une identité.
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4) Résoudre {x'=\lambda x+y}, {y'=\lambda y}, {x(0)=x_0}, {y(0)=y_0\ne0}, {\lambda>0}.

Exprimer {y} en fonction de {x} à l’aide de {\Phi} sur la branche {\lambda t+\lambda x_0/y_0\ge-1}.

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5) Pour {m\geq1}, calculer la dérivée d’ordre {m-1} en zéro de {((e^t-1)^m-(-1)^m)/m!}.

Résoudre {xy'-y=0} sur {]-R,R[}.

Justifier la sommabilité de {((-1)^kn^{n+k-1}x^{n+k}/(n!k!))_{n\geq1,k\geq0}} près de zéro et démontrer l’identité conjecturée en regroupant selon {n+k=m}.

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Exercice 2. (★★★★) dérivation sous l’intégrale ; développement asymptotique ; systèmes différentiels
Soit {J(x)=\int_0^{2\pi}\cos(x\sin t)dt}.

Tracer sur {[0,100]} et estimer {\lambda} dans {J(x)=\lambda x^{-1/2}\cos(x-\varphi)+O(x^{-3/2})}.

Montrer {J\in C^\infty} et {xJ''+J'+xJ=0}. Par {z(t)=\sqrt t\,y(t)}, obtenir {z''+(1+1/(4t^2))z=0} sur {[1,\infty[}.

Pour {V'=BV} avec {\int_1^\infty\lVert B\rVert\lt \infty}, montrer la bornitude en dérivant {e^{-2\int_1^t\lVert B\rVert}\lVert V(t)\rVert^2}, puis l’existence d’une limite et la borne {\lVert V(t)-V_\infty\rVert\leq C\int_t^\infty\lVert B\rVert}.

Écrire {Z=(z,z')^T}, {Z'=(A+E)Z} avec {A} antisymétrique, {E} intégrable, et conclure en étudiant {e^{-tA}Z(t)}.

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Exercice 3. (★★★) problème de Cauchy ; Espaces préhilbertiens réels ; intégration par parties
Soient {E=C^\infty([0,\pi],\mathbb{R})}, {F=\left\{y\in E:y(0)=y(\pi)=0\right\}}, {\varphi,q\in E}, {q\geq0}, et {\alpha'=\varphi}. Posons {D(y)=y''+\varphi y'-qy}, {L(y)=-e^\alpha D(y)} et {\langle y,z\rangle=\int_0^\pi yL(z)}.
1) Rappeler le théorème de Cauchy-Lipschitz.
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2) Montrer que cette forme est un produit scalaire sur {F}.
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3) Pour {h\in E}, montrer qu’il existe une unique {f_0\in F} avec {D(f_0)=h}.
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Exercice 4. (★★★★) matrice de Gram ; Intégration sur un intervalle quelconque ; intégration par parties
Soit {E} l’ensemble des fonctions réelles continues de carré intégrable sur {\mathbb{R}_+}.
a) Définir l’intégrabilité et montrer que {fg} est intégrable pour {f,g\in E}, puis que {E} est un espace vectoriel.
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b) Montrer que {\langle f,g\rangle=\int_0^\infty fg} est un produit scalaire.

Si {f\in E\cap C^2} et {f''\in E}, montrer {f'\in E} et exprimer {\langle f',f'\rangle+\langle f,f''\rangle}, {\langle f,f'\rangle}, {\langle f',f''\rangle} avec les valeurs en {0}.

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c) Pour la matrice de Gram de {(f,f',f'')}, montrer que son déterminant est positif ou nul et étudier l’égalité.
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Exercice 5. (★★★) matrices symétriques positives ; projection orthogonale ; systèmes différentiels
Sur {M_n(\mathbb{R})} muni de la norme de Frobenius, soient {A\in S_n^+}, {B} quelconque et {(E):X'=-AX+B}. Supposer {S=\left\{U:AU=B\right\}} non vide.
a) Montrer que les valeurs propres de {A} sont positives ou nulles.
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b) Trouver les solutions constantes.
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c) Montrer que la distance entre deux solutions décroît, puis que chaque solution est bornée sur {\mathbb{R}_+}.
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d) Montrer l’existence d’une limite {X_\infty}.
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e) Montrer que {X_\infty} est un point de {S} le plus proche de {X(0)}.
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Exercice 6. (★★★) unicité d’une solution ; Séries entières ; dérivation terme à terme
Soient {a,k\in\mathbb{R}} et {S_{a,k}} l’ensemble des fonctions dérivables réelles sur {\mathbb{R}} telles que {f'(x)=f(ax)} et {f(0)=k}.
1) Déterminer {S_{1,k}} et {S_{-1,k}}.

On suppose ensuite {|a|\lt 1}.

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2) Donner le rayon de {\sum\limits_{n\geq0}a^{n(n-1)/2}x^n/n!} et en déduire une solution.
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3) Pour {T(f)(x)=k+\int_0^xf(at)dt}, montrer que {f\in S_{a,k}} équivaut à {T(f)=f} parmi les fonctions continues.
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4) Montrer que {S_{a,k}} est un singleton.
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Exercice 7. (★★★★) intégration des relations de comparaison ; dérivation terme à terme ; réduction de l’ordre
Pour {\nu\in\mathbb{R}}, soit {(E):x^2y''+xy'+(x^2-\nu^2)y=0}.
1) Énoncer et démontrer l’intégration des relations de comparaison.
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2) Trouver une fonction positive {\ell} sur {]0,1[} telle que {z=\ell y} transforme l’équation en {z''+\alpha(x)z=0}.
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3) Résoudre {(E)} sur {]0,1[}.
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Exercice 8. (★★★) espace des solutions ; Matrices et applications linéaires ; problème de Cauchy
Soit {q} continue réelle, paire et {\pi}-périodique, et {(E):y''+qy=0}.
1) Donner la structure et la dimension de l’espace {S} des solutions.
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2) Montrer que {\phi(y)(x)=y(x+\pi)} est un endomorphisme de {S}.
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3) Pour les solutions {y_1,y_2} de données initiales {(1,0)} et {(0,1)}, montrer que la matrice {A} de {\phi} est {\begin{pmatrix}y_1(\pi)&y_2(\pi)\\[4pt]y_1'(\pi)&y_2'(\pi)\end{pmatrix}}.
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4) Étudier leur parité.
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5) Montrer que {\det A=1}.
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6) Donner {A^{-1}} avec les valeurs en {-\pi}, montrer {A+A^{-1}=(\operatorname{tr}A)I}, puis {y_1(\pi)=y_2'(\pi)} et {\chi_A=X^2-2aX+1} pour un réel {a}.
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PSI


Exercice 1. (★★★) Intégrabilité ; Second ordre ; Théorème de Cauchy linéaire
Python. Soit {q:\mathbb{R}_+\to\mathbb{R}} continue. On considère {y''+(1+q)y=0}, {y(0)=a}, {y'(0)=b}.
1) Tracer les solutions sur {[0,50]} pour {(a,b)=(1,0),(0,1)} et pour les fonctions {q(t)=\frac1{\sqrt{1+t}},\quad q(t)=\sin t\sin(1/t),\quad q(t)=\frac1{1+t^2},\quad q(t)=-\frac{t^2}{2(1+t^2)}.}Quelles solutions semblent bornées?
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2) On suppose désormais {q} intégrable sur {\mathbb{R}_+}.
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3) Pour {f} continue et intégrable, poser {z(x)=\int_0^x\sin(x-t)f(t)\,dt} et calculer {z''+z}.
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4) Montrer que {|y(x)|\leq|a|+|b|+\int_0^x|q(t)||y(t)|\,dt,}puis que {y} est bornée.
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5) L’intégrabilité de {q} est-elle suffisante, nécessaire pour que les solutions soient bornées?
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Exercice 2. (★★★) Convergence simple ; Convergence uniforme ; Coefficients constants
Python. Soit {\alpha>0} et le système {x''=-\alpha x'}, {y''=-\alpha y'-1}.
1) Tracer les trajectoires pour différentes valeurs de {\alpha}, avec {x(0)=y(0)=0}, {x'(0)=y'(0)=\nu>0}.

Décrire leur allure pour {\alpha} grand ou petit.

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2) Montrer que la trajectoire est le graphe de {x\mapsto\left(1+\frac1{\alpha\nu}\right)x +\frac1{\alpha^2}\ln\left(1-\frac{\alpha x}{\nu}\right),}et préciser son domaine.
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3) Montrer que {g:r\mapsto r+\ln(1-r)} est une bijection de {[0,1[} sur {\mathbb{R}_-}.

En déduire l’existence d’un unique {\nu_\alpha} pour que la trajectoire passe par {(1,0)}.

Pour cette valeur, on note {f_\alpha} la fonction de la question précédente.

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4) Étudier la convergence de {(f_n)_{n\geq1}}.
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5) Étudier celle de {(f_{1/n})_{n\geq1}}.
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Exercice 3. (★★) Recherche de solutions en série entière ; Théorème de Cauchy linéaire ; Premier ordre
Considérons {y'=2xy+1}, {y(0)=0}.

Justifier l’existence d’une unique solution {f} sur {\mathbb{R}}, montrer qu’elle est impaire et développable en série entière en zéro, puis donner son expression.

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Exercice 4. (★★) problème de Cauchy ; unicité ; périodicité
Soit {(E)} l’équation différentielle {y''(t)+e^{it}y(t)=0}.

Si {f} est solution de {(E)}, montrer qu’elle est {2\pi}-périodique si et seulement si {f(0)=f(2\pi)} et {f'(0)=f'(2\pi)}.

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Exercice 5. (★★★★) problème de Cauchy ; solutions de l’équation avec second membre ; applications lipschitziennes
1) Soit {g\in C^0(\mathbb{R}_+,\mathbb{R})} et {h(x)=\int_0^x\sin(x-t)g(t)\,dt}.

Montrer que {h} est de classe {C^2} et exprimer {h''} en fonction de {h,g}.

Déterminer toutes les solutions sur {\mathbb{R}_+} de {y''+y=g}.

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2) Soient {a\in\mathbb{R}} et {f\in C^0(\mathbb{R}_+,\mathbb{R})} tels que {f(x)\leq a+\int_0^xf(t)\,dt} pour tout {x\geq0}.

Montrer que {f(x)\leq ae^x}.

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3) Pour {\lambda\in\mathbb{R}}, soit {\Phi_\lambda} la solution du problème de Cauchy {y''(x)+(1-\sin(\lambda x))y(x)=0,\qquad y(0)=1,\quad y'(0)=0.}Pour {x_0\in\mathbb{R}} fixé, montrer que {\lambda\mapsto\Phi_\lambda(x_0)} est lipschitzienne.
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Author: Jean-Michel Ferrard

Professeur de mathématiques en classe préparatoire aux grandes écoles.