Equations Différentielles

5         Equations différentielles du second ordre

Les équations différentielles d’ordre 2 sont de la forme générale .

Comme pour les équations différentielles d’ordre 1, on distingue les équations différentielles d’ordre 2 sans et avec second, puis les équations différentielles d’ordre 2 linéaires, sans et avec second membre.

La différence avec les équations différentielles d’ordre 1, tient au fait que la solution générale dépend cette fois-ci de deux constantes d’intégration.

Ainsi, pour déterminer la solution particulière d’un problème donné, il faudra disposer de deux conditions initiales, qui sont le plus souvent :  et , si  est une solution de l’équation différentielle.

5.1         Cas des équations incomplètes

5.1.1                    Absence de y :

L’astuce consiste ici à poser , ce qui permet de se ramener à , qui est une équation différentielle d’ordre 1.

Ainsi, on résout si c’est possible d’abord , ce qui donne  ; puis on résout , ce qui permet finalement d’obtenir .

Exemple :

5.1.2                   Absence de x :

On pose encore , d’où  ce qui nous ramène à considérer z comme une fonction inconnue de y. On est ainsi ramené à l’équation :

 avec

Exemple :

5.2       Equations différentielles d’ordre 2 linéaires sans second membre

On appelle ainsi une équation différentielle de la forme :

Ces équations ne se résolvent que si l’on dispose d’une solution particulière .

Remarque :

 est solution particulière de toute équation différentielle de la forme :

                          

à condition que .

Connaissant , on pose , z devenant la nouvelle fonction inconnue de x. Il en résulte :


Ainsi :

On pose alors  ce qui ramène à une équation différentielle d’ordre 1 à variables séparables :

Ainsi, .

Reste à résoudre , c’est-à-dire , ce qui conduit finalement à la solution générale de l’équation différentielle de départ :

Exemple :

5.3       Equations différentielles d’ordre 2 linéaires sans second membre à coefficients constants

On désigne ainsi une équation différentielle de la forme :

 :  avec  des constantes

5.3.1                   Etude du cas où

·        Si , alors  devient , ce qui donne .

·        Si , on peut poser  avec , ce qui conduit à . Cette équation admet deux solutions particulières simples  et . La solution générale de  est donc .

·        Si , on pose alors  avec , ce qui conduit à . Cette équation admet deux solutions particulières simples  et . La solution générale de  est donc .

5.3.2                 Etude du cas où

On revient donc à  : .

En inspirant de ce qui précède, on peut imaginer de chercher des solutions sous la forme  avec r une constante.

En remplaçant  dans  puis en simplifiant par , on obtient l’équation :

La nature des solutions de  dépend alors de la nature des solutions de .

On note  le discriminant de l’équation caractéristique.

·        Si , alors  admet deux racines réelles distinctes , et  admet deux solutions particulières  et . La solution générale de  est donc .

·        Si , alors  admet une racine double  et  admet la solution particulière . En posant , on montre que la solution générale de  est .

·        Si , alors  admet deux racines complexes conjuguées . La solution générale de  s’écrit alors .

Exemple :

5.4       Equations différentielles d’ordre 2 linéaires avec second membre « simple » et à coefficients constants

On appelle dans ce paragraphe des équations différentielles de la forme :

Ces équations ASM se résolvent en deux temps :

(1)    On intègre d’abord l’équation SSM (§ 5.3.) ; on obtient .

(2)    On résout l’équation ASM en recherchant une solution particulière  de  (voir Chapitre 6 § 6) et dans ce cas .

Nous allons voir à partir d’un exemple, comment mettre en œuvre la recherche d’une solution particulière.

Considérons l’équation suivante :

:

1.     Résolution de l’équation SSM : voir exemple ci-dessus :

2.     On cherche alors une solution  sous la forme ,c’est-à-dire une solution particulière de la forme du second membre ; on cherche alors les coefficients a, b, et c pour que  soit solution de  :

Ainsi :

En identifiant,  avec , on obtient :

*                *                   *

On en déduit que  est une solution particulière de .

3.     On conclut que la solution générale de  est , c'est-à-dire: