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orestis.malaspin
math_tech_info
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f9015c07
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f9015c07
authored
4 years ago
by
orestis.malaspin
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985c606e
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18 deletions
04_edo.md
+
23
−
18
View file @
f9015c07
...
...
@@ -115,9 +115,14 @@ Pour nous en convaincre faisons l’exercice suivant. Reprenons l’@eq:comp que
$$n(t_0+2
\d
elta t)=n(t_1+
\d
elta t)=(1+r
\d
elta t) n(t_1)=(1+r
\d
elta t)(1+r
\d
elta t) n(t_0)=(1+r
\d
elta t)^2 n(t_0).$$
Si à présent nous comparons les résultats obtenus pour
$
\d
elta t_1=2
\d
elta t$ dans l’@eq:evolpop on a
$$
\b
egin{aligned}
$$
\b
egin{aligned}
n_1&=(1+r
\d
elta t)^2 n(t_0)=(1+2r
\d
elta t+(r
\d
elta t)^2) n(t_0),
\\
n_2&=(1+2r
\d
elta t) n(t_0).
\e
nd{aligned}$$ On trouve donc finalement
n_2&=(1+2r
\d
elta t) n(t_0).
\e
nd{aligned}
$$
On trouve donc finalement
que $n_2-n_1=(r
\d
elta t)^2n(t_0)$. On a donc que la différence tend bien
vers 0 quand $
\d
elta t$ tend vers 0.
...
...
@@ -262,7 +267,7 @@ $n$-ème de $y$.
---
#### Illustation {-}
#### Illust
r
ation {-}
L’équation suivante est une équation différentielle ordinaire
$$y''+4y'+8y+3x^2+9=0.$$
...
...
@@ -396,7 +401,7 @@ donner l’équation homogène associée. $$\begin{aligned}
---
La solution des équations différen
c
ielles inhomogènes se
La solution des équations différen
t
ielles inhomogènes se
trouve de la façon suivante.
1.
Trouver la solution générale de l’équation différentielle homogène associée,
...
...
@@ -515,7 +520,7 @@ dans l'@eq:lin, on obtient $$\begin{aligned}
\e
nd{aligned}$$ Il nous reste donc à résoudre cette équation
différentielle pour $C(x)$ qui est une équation à variables séparables où
on aurait un $a(c)=1$. On intègre donc directement cette équation
pour obt
i
enir
pour obtenir
$$C(x)=
\i
nt
\f
rac{b(x)}{e^{
\i
nt a(x){
\m
athrm{d}}x}}{
\m
athrm{d}}x.$$
Finalement, on a que la solution de l’équation générale de l’équation
inhomogène est
...
...
@@ -549,12 +554,12 @@ Résoudre les équations différentielles suivantes
2.
$$y'+y=
\f
rac{1}{1+e^t}.$$
### Équations de Bernou
i
lli
### Équations de Bernoulli
Il existe des équations particulières qui peuvent se ramener à des
équations linéaires via des changements de variables.
Une classe particulière sont les équations de Bernou
i
lli, qui s’écrit
Une classe particulière sont les équations de Bernoulli, qui s’écrit
$$y'(x)+a(x)
\c
dot y(x)+b(x)
\c
dot y^n(x)=0,$${#eq:bernouilli} où
$r
\i
n{
\r
eal}$.
...
...
@@ -564,14 +569,14 @@ $$\frac{y'(x)}{y^n(x)}+\frac{a(x)}{y^{n-1}(x)}+b(x)=0.$${#eq:bernouilli_2}
Dans ce cas là, en effectuant le changement de variable suivant
$$z=y^{1-n},$$ on obtient (exercice)
$$z'(x)+(1-n)a(x)
\c
dot z(x)+(1-n)b(x)=0.$$ On a donc ramené l’équation
de Bernou
i
lli à une équation linéaire que nous savons résoudre à l’aide
de Bernoulli à une équation linéaire que nous savons résoudre à l’aide
de la méthode de la section @sec:eq_lin.
---
#### Exemple {-}
Résoudre l’équation de Bernou
i
lli suivante $$y'-y-x
\c
dot y^6=0.$$
Résoudre l’équation de Bernoulli suivante $$y'-y-x
\c
dot y^6=0.$$
#### Solution {-}
...
...
@@ -593,7 +598,7 @@ $y=z^{1/5}$ et on a $$y=\left(Ae^{5x}+x+\frac{1}{5}\right)^{1/5}.$$
L’équation de Riccati qui est de la forme
$$y'(x)+a(x)+b(x)
\c
dot y(x)+c(x)
\c
dot y^2(x)=0,$${#eq:riccati} et
est donc quadratique en $y$. On notera que c’est une équation de
Bernou
i
lli (avec $n=2$ et qui est inhomogène).
Bernoulli (avec $n=2$ et qui est inhomogène).
Cette équation a une propriété intéressante. Si nous connaissons une
solution particulière à l’équation inhomogène, notons la $y_p$, alors la
...
...
@@ -604,7 +609,7 @@ ce-dessus devient donc
$$y_p'+y_h'+a(x)+b(x)
\c
dot y_p+b(x)
\c
dot y_h+c(x)
\c
dot (y_p^2+2y_p(x)y_h(x)+y_h^2)=0.$$
En utilisant que $y_p$ est solution de l’équation de Riccati, on a
$$y_h'+a(x)+(b(x)+2y_p(x)c(x))
\c
dot y_h+c(x)
\c
dot y_h^2=0.$$ Cette
équation est une équation de Bernou
i
lli avec $n=2$. On sait donc comment
équation est une équation de Bernoulli avec $n=2$. On sait donc comment
la résoudre.
--
...
...
@@ -686,7 +691,7 @@ deux lignes. La seconde ligne ci-dessus, s’appelle le polynôme
caractéristique de notre EDO d’ordre 2.
Il nous reste à présent à déterminer $
\l
ambda$ ce qui est un simple
problème d’algèbre. Le polyn
o
me ci-dessus se factorise simplement en
problème d’algèbre. Le polyn
ô
me ci-dessus se factorise simplement en
$$(
\l
ambda+1)(
\l
ambda+2)=0,$$ on a donc pour solution $
\l
ambda=-1$, et
$
\l
ambda=-2$.
...
...
@@ -694,7 +699,7 @@ On a donc immédiatement deux solutions à notre équation différentielle
$$y_1(x)=e^{-x},
\q
uad y_2(x)=e^{-2x}.$$ On vérifie aisément que ces deux
équations vérifient l'@eq:edo2_ex. Précédemment, nous
avons vu que la linéarité de ces équations différentielles, faisait
qu’on pouvait contr
s
uire des solutions plus générales. En effet, on peut
qu’on pouvait con
s
truire des solutions plus générales. En effet, on peut
montrer que la solution la plus générale à cette EDO est
$$y(x)=C_1 y_1(x)+C_2y_2(x)=C_1e^{-x}+C_2e^{-2x}.$$ On constate qu’il y
a deux constantes à déterminer pour avoir une solution unique. Pour ce
...
...
@@ -708,7 +713,7 @@ $$y(x)=2e^{-x}-e^{-2x}.$$
A présent, nous pouvons généraliser cette méthode pour l’équation
@eq:edo2_cch $$a y''(x)+by'(x)+cy(x)=0.$$ En faisans la même
subsitution que précédemment, $y=e^{
\l
ambda x}$, on a $$
\b
egin{aligned}
subs
t
itution que précédemment, $y=e^{
\l
ambda x}$, on a $$
\b
egin{aligned}
&a
\l
ambda^2e^{
\l
ambda x}+b
\l
ambda e^{
\l
ambda x} +ce^{
\l
ambda x}=0,
\\
&a
\l
ambda^2+
\l
ambda b+c=0.
\e
nd{aligned}$$ L’équation ci-dessus doit
être résolue pour $
\l
ambda$. Nous savons comment résoudre ce genre
...
...
@@ -724,7 +729,7 @@ $\Delta < 0$.
#### Le cas $\Delta>0$
Dans ce cas, on a que $
\l
ambda_1,
\l
ambda_2
\i
n{
\r
eal}$ sont réels.
La solution est donc donnée par (comme on l’a vu au parav
a
nt)
La solution est donc donnée par (comme on l’a vu au parav
e
nt)
$$y(x)=C_1e^{
\l
ambda_1 x}+C_2e^{
\l
ambda_2 x}.$$
#### Le cas $\Delta=0$
...
...
@@ -737,7 +742,7 @@ satisfaire deux conditions initiales comme nous avons vu précédemment.
Il fau donc travailler un peu plus. Supposons que $y(x)$ est donné par
la fonction suivante $$y(x)=z(x)e^{
\l
ambda x},$$ avec $z(x)$ une
fonction réelle. En substituant cela dans l’équation générale, on a
$$az''+(2
\l
ambda a+b)z'+(a
\l
ambda^2+b
\l
ambda+c)z=0.$$ En utilant que
$$az''+(2
\l
ambda a+b)z'+(a
\l
ambda^2+b
\l
ambda+c)z=0.$$ En util
is
ant que
$
\l
ambda=-b/(2a)$ et $
\D
elta =0$ il vient $$z''=0.$$ La solution de
cette équation est $$z=C_1+xC_2.$$ On obtient donc comme solution
générale de l’équation différentielle $$y(x)=(C_1+C_2 x)e^{
\l
ambda x}.$$
...
...
@@ -769,7 +774,7 @@ l'@eq:sol2 comme $$\begin{aligned}
&=e^{ux}
\l
eft(C_3
\c
os(vx)+C_4
\s
in(vx))
\r
ight),
\e
nd{aligned}$$ où on a
définit $C_3
\e
quiv C_1+C_2$ et $C_4
\e
quiv i(C_1-C_2)$.
Résoudre les EDO d’ordre 2 à coefficiens constants suivantes:
Résoudre les EDO d’ordre 2 à coefficien
t
s constants suivantes:
1.
$y''+y'+y=0$,
...
...
@@ -901,7 +906,7 @@ $n=0$ $$\begin{aligned}
x(t_{1})&=x(t_0)+
\d
elta t v(t_0)+
\f
rac{1}{2}
\d
elta t^2 a(x(t_0)),
\n
onumber
\\
x(t_{1})&=x_0+
\d
elta t v_0+
\f
rac{1}{2}
\d
elta t^2 a(x_0),
\e
nd{aligned}$$
où $x_0$ et $v_0$ sont les conditions initiales de notre problème.
Esuite les itérations suivantes ($n>0$) sont calculables directement
E
n
suite les itérations suivantes ($n>0$) sont calculables directement
avec l'@eq:verlet_novel. Un autre avantage
considérable de ce modèle est qu’il est très simple d’y inclure une
force de frottement proportionnelle à la vitesse. Sans entrer dans les
...
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