Équations différentielles du second ordre

Théorie, solutions générales, équations homogènes et coefficients constants

Cette page introduit les équations différentielles du second ordre, en mettant l'accent sur leur forme générale et sur les équations homogènes à coefficients constants. Ces équations apparaissent fréquemment en physique, en ingénierie et en mathématiques appliquées.

Forme générale

Une équation différentielle linéaire du second ordre peut s'écrire sous la forme :

\[ \frac{d^2y}{dx^2} + P(x)\frac{dy}{dx} + Q(x)y = R(x) \]

Si \( R(x) \neq 0 \), l'équation est dite non homogène.

Si \( R(x) = 0 \), l'équation devient :

\[ \frac{d^2y}{dx^2} + P(x)\frac{dy}{dx} + Q(x)y = 0 \]

et est appelée équation différentielle linéaire homogène du second ordre.

Solution générale de l'équation homogène

Si \( y_1(x) \) et \( y_2(x) \) sont deux solutions linéairement indépendantes de :

\[ \frac{d^2y}{dx^2} + P(x)\frac{dy}{dx} + Q(x)y = 0 \]

alors la solution générale est :

Solution homogène générale : \[ y(x) = Ay_1(x) + By_2(x) \]

où \( A \) et \( B \) sont des constantes arbitraires.

Remarque : Deux fonctions sont linéairement indépendantes si aucune n'est un multiple constant de l'autre.

Équations du second ordre à coefficients constants

Les équations homogènes à coefficients constants ont la forme :

\[ \frac{d^2y}{dx^2} + b\frac{dy}{dx} + cy = 0 \]

où \( b \) et \( c \) sont des constantes.

Nous cherchons des solutions de la forme \( y = e^{kx} \). Alors :

\[ \frac{dy}{dx} = ke^{kx}, \qquad \frac{d^2y}{dx^2} = k^2e^{kx} \]

En substituant dans l'équation différentielle, on obtient :

\[ k^2e^{kx} + bke^{kx} + ce^{kx} = 0 \]

En mettant \( e^{kx} \) en facteur :

\[ e^{kx}(k^2 + bk + c) = 0 \]

Puisque \( e^{kx} \neq 0 \), nous obtenons l'équation caractéristique (auxiliaire) :

Équation caractéristique : \[ k^2 + bk + c = 0 \]

Les racines sont données par la formule quadratique :

\[ k_{1,2} = \frac{-b \pm \sqrt{b^2 - 4c}}{2} \]

Soit \( D = b^2 - 4c \) le discriminant. Trois cas se présentent :

Chaque cas conduit à une forme différente de la solution générale.

Exemples résolus et références

Explorez des exemples résolus étape par étape pour chaque cas :

Plus de références