Equations Différentielles

3         Equations différentielles linéaires du premier ordre

Une équation différentielle linéaire d’ordre 1 est de la forme .

On parle d’équation différentielle linéaire d’ordre 1 sans second membre si  (SSM).

On parle d’équation différentielle linéaire d’ordre 1 avec second membre si  (ASM).

La fonction  est le second membre de l’équation. L’équation SSM est encore appelée équation homogène.

3.1         Equation différentielle linéaire sans second membre (SSM)

Nous considérons dans ce paragraphe des équations de la forme :

 :

Ces équations SSM sont à variables séparables et aisément intégrables sous réserve de pouvoir calculer la primitive de la fonction f :

Exemples :

3.2       Equation différentielle linéaire avec second membre (ASM)

Nous considérons dans ce paragraphe des équations de la forme :

 :

Ces équations ASM se résolvent en deux temps :

(1)    On intègre d’abord l’équation SSM pour obtenir :

(2)    On résout l’équation ASM, soit en recherchant une solution particulière  de  (voir § 3.2.1), soit en utilisant la méthode de variation de la constante (voir § 3.2.2).

3.2.1                   Recherche d’une solution particulière

Supposons que l’on dispose d’une solution particulière  de , alors la solution générale de  est la fonction définie par .

Vérification :

Soit . Montrons qu’une telle fonction est bien solution de .

 est une solution particulière de , elle vérifie donc .

Par ailleurs, , donc :

 est bien solution de .

Cette méthode repose entièrement sur la connaissance de  qui n’est pas toujours facile à obtenir. La méthode de variation de la constante (§3.2.1) est par contre beaucoup plus générale.

Exemple :

3.2.2                 Méthode de variation de la constante

On utilise cette technique lorsqu’on ne peut pas trouver de solution particulière de . On résout dans ce cas l’équation SSM qui fournit .

On rappelle que  s’écrit .

On prend alors comme fonction inconnue , ce qui revient à faire de K, qui était constante pour l’équation SSM, une fonction inconnue de .

Autrement dit, on fait varier la constante.

En posant dans , , on obtient :

Ainsi, par intégration et sous réserve que l’on puisse calculer une primitive de , on obtient :

Finalement, la solution générale de l’équation différentielle  s ‘écrit :

Exemples :

3.3       Equation différentielle linéaire du premier ordre à coefficients constants

Nous considérons cette fois-ci des équations différentielles linéaires du premier ordre à coefficients constants, c’est-à-dire de la forme :

 :  avec  une constante.

Ce cas est un cas particulier des équations différentielle du premier ordre que nous avons vu au paragraphe 3.2. En effet, nous avons ici .

Ainsi, après avoir résolu l’équation SSM, la méthode précédente s’applique, soit avec recherche d’une solution particulière, soit par variation de la constante.

Cependant, avec les équations différentielles linéaires du premier ordre à coefficients constants, la solution particulière  s’obtient parfois simplement :

Exemples :