Résoudre une edo

Bonjour,
je cherche à trouver la solution générale de l'équation $$

(1+x^2)y'+xy=(1+x^2)^{5/2}.

$$ On commence par l'écrire sous la forme $$

y'=- \dfrac{x}{(1+x^2)} y + (1+x^2)^{3/2}

$$ en notant $a(t)= -\dfrac{t}{(1+t^2)}$ et $b(z)= (1+z^2)^{3/2}$ la formule de la solution générale est $$

y(x)= \exp(\int_{x_0}^x a(t) dt) (y_0 + \int_{x_0}^x b(z) \exp(-\int_{x_0}^z a(t) dt) dz)
$$ On a d'un côté que
$
\displaystyle\int_{x_0}^x a(t) dt = -\int_{x_0}^x \dfrac{t}{1+t^2} dt = -\dfrac{1}{2} \int_{x_0}^x \dfrac{2 t}{1+t^2} dt= -\dfrac{1}{2}\big(\ln(1+x^2)-\ln(1+x_0^2)\big)$.
Ainsi, $
\exp\Big(\displaystyle\int_{x_0}^x a(t) dt\Big)= C_1 (1+ x^2)^{-1/2}.
$
Ainsi, $$

y(x)= C_1 (1+x^2)^{-1/2} \Big(y_0 + \int_{x_0}^x (1+z^2)^{3/2} C_2 (1+z^2)^2 dz \Big)

$$ Donc $$

y(x)= C_1(1+x^2)^{-1/2}\Big(y_0 + C_2 \int_{x_0}^x (1+z^2)^{7/2} dz\Big)

$$ J'ai du mal à calculer $\displaystyle\int_{x_0}^x (1+z^2)^{7/2} dz$. Merci de m'aider.
Cordialement.

Réponses

  • Bonjour,

    Pourquoi ne pas utiliser la variation de la constante ? C’est infiniment plus facile. Sinon, CDV $x \leadsto \sinh t.$
  • Bonjour YvesM,
    l'expression de $y(x)$ est justement donnée par la méthode de la variation de la constante. Comment ça peut être plus facile ? Est-ce qu'il y a une solution particulière évidente ?
    Sinon, on ne peut pas calculer l'intégrale que j'ai donnée de manière explicite ?
  • Ton intégrale se calcule effectivement, mais péniblement. Maple donne :
    $1/8\ x(1+x^2)^{7/2}+7/48(1+x^2)^{5/2}x+35/192(1+x^2)^{3/2}x+35/128(1+x^2)^{1/2}x+35/128\ln(x+(1+x^2)^{1/2})$
    $-1/8\ x_0(1+x_0^2)^{7/2}+7/48(1+x_0^2)^{5/2}x_0+35/192(1+x_0^2)^{3/2}x_0+35/128(1+x_0^2)^{1/2}x_0+35/128\ln(x_0+(1+x_0^2)^{1/2})$

    Cordialement.
  • Bonjour Gerard
    est-ce qu'il y a une méthode plus simple pour calculer la solution générale de mon edo?
  • Bonjour,

    @ccapucine : as-tu lu mon message ?
    La méthode de variation de la constante n’est pas le truc horrible que tu écris. Le calcul se fait presque de tête.
    On cherche une solution de l’équation homogène : $y(x)=y_0 (1+x^2)^{-1/2}$, puis on cherche une solution sous la forme $y(x)=A(x) (1+x^2)^{-1/2}$ et on reporte : $A’(x)=(1+x^2)^2$ qui est polynomiale, non ?
  • Dans mon cours il est écrit que par la méthode de variation de la constante, la solution générale de $y'=a(x)y+b(x)$ est le truc horrible que j'ai écrit. C'est donc faux? Pourquoi les calculs sont difficiles quand on utilise directement la formule horrible et c'est simple quand on cherche une solution particulière à part?

    Ensuite pour le calcul d'une solution particulière, je suis d'accord qu'on cherche une solution particulière de la forme
    $y(x)=C(x)(1+x^2)^{-1/2}$ donc $y'(x)= C'(x)(1+x^2)^{-1/2}-C(x)x(1+x^2)^{-3/2}$
    et en injectant dans l'edo on obtient que:
    $$
    C'(x)(1+x^2)^{-1/2}-C(x) x (1+x^2)^{-3/2}+ x(1+x^2)^{-3/2}= (1+x^2)^{3/2}.
    $$
    Si on multiplie les deux membres par $(1+x^2)^{1/2}$ on obtient:
    $
    C'(x)+ C(x) x (1+x^2)^{-1}+ x(1+x^2)^{-1}= (1+x^2)^{5/2}.
    $
    Ca ne ressemble pas à ce que vous obtenez. Comment avez vous procédé pour obtenir cette expression aussi simple?
  • Bonjour,

    Ton cours est correct, mais le cas général, valide pour toute équation, est forcément plus compliqué qu’un cas particulier, non ? Tu fais une erreur de calcul. Recommence. Et tu as le droit d’écrire $y=A y_0$ avec $y_0$ solution particulière : c’est plus rapide et on fait moins d’erreur. J’essaie en live :
    $y=A y_0$, donc $y’=A’y_0 +A y_0’$ et on reporte : $(1+x^2)y_0 A’ +[(1+x^2) y_0’+x y_0]A=(1+x^2)^{5/2}$ et le facteur de $A$ est nul.
    Voilà !
  • YvesM stp pourquoi le facteur A est nul? stp
  • $y_0$ est une solution particulière de l'équation sans second membre ("équation homogène").

    Cordialement.
  • Merci beaucoup à YvesM et à Gerard pour cette belle méthode :-)
  • On peut utiliser la méthode du facteur intégrant : trouver $u(x)$ tel que $u(x)\big((1+x^2)\,dy+ xy\ dx\big)$ soit la différentielle d'une fonction, ce qui donne l'équa diff $\big(u(x)(1+x^2)\big)'=u(x)x$, dont on trouve facilement une solution $u(x)=\dfrac1{\sqrt{1+x^2}}$. Il ne reste plus qu'à résoudre
    $$\left(\sqrt{1+x^2}\,y\right)'=(1+x^2)^2\;.$$
  • GaBuZoMeu : comment tu choisis le facteur intégrale? moi je trouve que $u(x)= (1+x^2)$ donc on a l'équation
    $$
    ((1+x^2) y(x))'= (1+x^2)^{7/2}
    $$
    qui est compliquée comme dans mon post 1. Comment tu as fais pour simplifier?
  • Facteur intégrant, pas facteur intégrale !
    Le facteur intégrant $u(x)$ est une solution de l'équation différentielle
    $$\big(u(x)(1+x^2)\big)'=u(x)x$$
    et $1+x^2$ n'est sûrement pas solution de cette équation différentielle.

    Tu remarqueras que si on multiplie le membre de gauche de ton équation différentielle par $\dfrac1{\sqrt{1+x^2}}$, on obtient

    $$\dfrac1{\sqrt{1+x^2}}\left((1+x^2)y'+xy\right)=\sqrt{1+x^2}\,y'+\frac{x}{\sqrt{1+x^2}}y=\left(\sqrt{1+x^2}\,y\right)'\;.$$
  • Je suis d'accord avec tes calculs.Merci GaBuZoMeu !:-)
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