Comment résoudre les deux équations

Stp comment résoudre ces équations $\quad 2y\frac{d^2y} {d^2x}=\Big(\dfrac{dy}{dx}\Big)^{2}+1,$
et cette équation aussi $\qquad\dfrac{dy}{dx}=\dfrac{x+y-3} {x-y-1} .$
Merci.

Réponses

  • 1) (second cas d'abaissement des equations du second ordre) L'astuce est de prendre $y$ comme variable{!} et $p=\frac{dy}{dx}$ comme fonction inconnue pour atterrir sur
    $2yp\frac{dp}{dy}=p^2+1$ (equation aux variables separables). Pour la rigueur, les domaines de validite, bonne chance.


    2) pose $X=x-x_0,$ $Y=y-y_0$ pour te ramener a $\frac{dY}{dX}=\frac{X-Y}{X+Y}$ equation dite homogene qu'on traite en prenant $t=Y/X$ comme nouvelle fonction inconnue.
  • @P: mais $p$ dépend lui même de $y$, ce n'est pas gênant pour intégrer :-S
  • Si tu préfères, écris : $\frac {y'}y= \frac {2y'y''}{y'^2+1}$.
  • Pour cette première équation une solution sympa est : $y=ax^2+\frac 1{4a}$, $a \neq 0$, sans trop y regarder sur domaine et rigueur, selon la remarque pertinente de P.
  • Je reviens sur la première équation différentielle : $\quad 2y\frac{d^2y} {dx^2}=\Big(\dfrac{dy}{dx}\Big)^{2}+1$, pour avancer sur les questions rigueur et domaine, opportunément soulevées par P. . On cherche une fonction $x\mapsto y$ deux fois dérivable et qui vérifie cette équation sur un intervalle $I$, ou sur $\mathbb R$ tout entier, à voir.
    La fonction $y$ et sa dérivée seconde ne s'annulent pas sur $I$ et sont de même signe. Cette fonction est donc strictement positive et strictement convexe ou bien strictement négative et strictement concave.
    Si une fonction $y$ est solution, alors $-y$ l'est aussi. En changeant $y$ en $-y$ on peut se cantonner au premier cas, $y$ strictement positive et strictement convexe. La dérivée $y'$ s'annule donc en un point au plus.
    L'équation $\frac {y'}y= \frac {2y'y''}{y'^2+1}$ que j'ai donnée plus haut est donc équivalente à l'équation proposée. Etc.
  • Je reste sur la première. C'est une équation différentielle autonome. Si $f$ est une solution sur $\mathbb R$, alors pour toute constante $C$ la fonction $g: x \mapsto f(x+C)$ est encore solution.
  • Je n'ai pas compris comment faire le changement de variable.
  • En souvenir de l’époque ancienne où les taupins étaient autorisés à savoir qu'il y a des équations différentielles non linéaires, je me suis amusé à rédiger une solution complète de la première de ces deux : $\quad 2y\frac{d^2y} {dx^2}=\Big(\dfrac{dy}{dx}\Big)^{2}+1$, sur $\mathbb R$.

    $\bullet $ On cherche une fonction $f$ deux fois dérivable sur $\mathbb{R}$, à valeurs réelles, qui vérifie : $\forall x\in \mathbb{R},2f(x)f^{~\prime\prime }(x)=f^{~\prime }(x)^{2}+1$.

    $\bullet $ Si une fonction $f$ est solution, alors $-f$ est solution aussi. La fonction $f$ ne s'annule pas, et comme elle est continue, elle conserve toujours le même signe. Quitte à changer $f$ en $-f$, on peut supposer $f>0$. Alors $f^{~\prime \prime }>0$, et la fonction $f$ est strictement positive et strictement convexe. La fonction dérivée $f^{~\prime }$ est donc strictement croissante sur $\mathbb{R}$.

    $\bullet $ La fonction $f$ vérifie, pour tout $x\in \mathbb{R}$ : $\frac{2f^{~\prime }(x)f^{~\prime \prime }(x)}{f^{~\prime }(x)^{2}+1}=\frac{f^{~\prime }(x)}{f(x)}$. Il existe donc une constante réelle $a>0$ telle que :
    $\ln (f^{~\prime }(x)^{2}+1)+\ln a=\ln f(x)$, soit : $a(f^{~\prime }(x)^{2}+1)=f(x)$, ou encore : $a^{2}f^{~\prime }(x)^{2}=af(x)-a^{2}$.

    $\bullet $ Posons $g(x)=af(x)-a^{2}$ ; l'équation devient : $g^{\prime }(x)^{2}=g(x)$. La fonction $g$ est deux fois dérivable et strictement convexe.
    La fonction dérivée $g^{\prime }$ est strictement croissante et s'annule donc en un point au plus. Et la fonction $g$ s'annule en un point au plus ipso facto.

    $\bullet $ Soit $I$ un intervalle de $\mathbb{R}$ sur qui la fonction $g$ ne s'annule pas, d'où : $\forall x\in I,g(x)>0$. Comme la fonction $g^{\prime }$ est continue, il en résulte :
    $\forall x\in I,\frac{g^{\prime }(x)}{2\sqrt{g(x)}}=\frac{1}{2}$ ou bien $\forall x\in I,\frac{g^{\prime }(x)}{2\sqrt{g(x)}}=-\frac{1}{2}$. Dans le premier cas, il existe une constante réelle $b$ telle que : $\forall x\in I,\sqrt{g(x)}=\frac{1}{2}x+b$, soit : $\forall x\in I,g(x)=(\frac{1}{2}x+b)^{2}$. Même conclusion dans le second cas.
    On en déduit déjà que l'intervalle $I$ ne peut être $\mathbb{R}$ tout entier, autrement dit que $g$ s'annule sur $\mathbb{R}$.
    Ainsi, il existe $c\in \mathbb{R}$ tel que $g(c)=0$, et ce réel $c$, il est vareuse unique.

    $\bullet $ La fonction $g$ ne s'annule pas sur $]-\infty ,c[$, ni sur $]c,+\infty \lbrack $. Il existe donc des constantes réelles $b_{1}$ et $b_{2}$ telles que :
    $\forall x\in ]-\infty ,c[,g(x)=(\frac{1}{2}x+b_{1})^{2}$ et $\forall x\in ]c,+\infty \lbrack ,g(x)=(\frac{1}{2}x+b_{2})^{2}$.
    La continuité de la fonction $g$ au point $c$ implique : $b_{1}=b_{2}=-\frac{1}{2}c$, d'où : $g(x)=\frac{1}{4}(x-c)^{2}$ pour tout $x\in \mathbb{R}$.

    $\bullet $ Et en revenant à $f$ il vient : $f(x)=\frac{1}{a}g(x)+a=\frac{1}{4a}(x-c)^{2}+a$, $a>0$. Ainsi sont les solutions $f>0$.
    On a toutes les solutions avec $f(x)=\frac{1}{4a}(x-c)^{2}+a$, $a\neq 0$.

    Bonne journée.
    Fr. Ch.
    28/11/2020
  • @Chaurien pourquoi les équations différentielle non linéaire ne sont plus dans les programmes en prépas ?

    Pour info dans Arnaudies Lelong Ferrand et Ramis Deschamps Odoux il y en a .
  • @ etanche
    Ces vénérables traités remontent justement à l'époque révolue que j'évoque.
  • Deux remarques.
    1. La solution que j'ai donnée n'utilise aucun théorème spécifique de la théorie des équations différentielles, mais seulement les théorèmes de l'analyse réelle élémentaire de première année. Elle peut donc fournir un exercice pour MPSI, mais il faudrait sans doute un énoncé avec des questions intermédiaires.
    2. Dans cette solution, on a rencontré l'équation : $\forall x\in \mathbb{R}, g'(x)^2=g(x)$ avec des conditions sur $g$. Il est intéressant de poser cette équation sans autre condition sur $g$ que celle, minimale : $g$ dérivable. Un autre exo pour MPSI.
    Bonne après-midi.
    Fr. Ch.
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