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Prépa · MPSI / MP2I

Erreurs fréquentes : Équations différentielles linéaires (Prépa, 1re année)

Ce chapitre donne les méthodes pour résoudre les équations linéaires du premier ordre à coefficients variables et celles du second ordre à coefficients constants, avec ou sans condition initiale. Ces équations modélisent la plupart des phénomènes étudiés en physique, et leur résolution sert à chaque épreuve écrite ou orale.

Erreur

Appliquer la formule $\lambda e^{-A}$ à $xy'+y=0$ avec $a(x)=1$, sans diviser par $x$.

Ce qu'il faut écrire

La formule ne vaut que pour la forme normalisée $y'+a(x)y=b(x)$. On divise par le coefficient de $y'$, ce qui impose de travailler sur un intervalle où il ne s'annule pas : ici $a(x)=\frac1x$ sur $]0,+\infty[$ ou $]-\infty,0[$.

Erreur

Écrire $\lambda e^{A(x)}$ comme solution de $y'+a(x)y=0$.

Ce qu'il faut écrire

Le signe est négatif : $\lambda e^{-A(x)}$. Une vérification en une ligne (dériver et remplacer) détecte l'erreur.

Erreur

Utiliser la condition initiale pour fixer une constante dans la solution particulière, puis ajouter la solution homogène.

Ce qu'il faut écrire

On écrit d'abord la solution générale $y_p+y_h$, puis on impose la ou les conditions initiales à cette expression complète.

Erreur

Chercher une solution particulière $Ae^{\mu x}$ alors que $\mu$ est racine de l'équation caractéristique.

Ce qu'il faut écrire

Si $\chi(\mu)=0$, la fonction $Ae^{\mu x}$ est solution de l'homogène et ne peut pas produire le second membre. On multiplie par $x$ (racine simple) ou par $x^2$ (racine double).

Erreur

Pour $y''+ay'+by=\cos(\omega x)$, chercher $y_p=\alpha\cos(\omega x)$ seul.

Ce qu'il faut écrire

Dès que $a\neq0$, la dérivée fait apparaître un sinus : il faut $\alpha\cos(\omega x)+\beta\sin(\omega x)$. Le plus sûr est de passer par $e^{i\omega x}$ et de prendre la partie réelle.

Erreur

Prendre la partie réelle d'une solution complexe alors que les coefficients $a$, $b$ ne sont pas réels.

Ce qu'il faut écrire

La méthode de la partie réelle repose sur $\mathrm{Re}(az)=a\,\mathrm{Re}(z)$, vrai seulement pour $a$ réel. Avec des coefficients complexes, on utilise $\cos(\omega x)=\frac{e^{i\omega x}+e^{-i\omega x}}{2}$ et la superposition.

Erreur

Dans le cas $\Delta<0$ avec racines $\alpha\pm i\beta$, écrire les solutions $e^{\alpha x}(\lambda\cos(\beta^2x)+\mu\sin(\beta^2x))$ ou oublier le facteur $e^{\alpha x}$.

Ce qu'il faut écrire

Les solutions réelles sont $e^{\alpha x}\big(\lambda\cos(\beta x)+\mu\sin(\beta x)\big)$ où $\alpha$ et $\beta$ sont la partie réelle et la partie imaginaire d'une racine. Pour $r^2+2r+5=0$, les racines sont $-1\pm2i$, donc $\alpha=-1$ et $\beta=2$.

Erreur

Affirmer que les solutions de $xy'-2y=0$ sur $\mathbb{R}$ sont les $\lambda x^2$.

Ce qu'il faut écrire

Sur une réunion d'intervalles, les constantes sont indépendantes sur chaque intervalle, et le raccordement en $0$ doit être étudié. Ici on obtient $\lambda x^2$ pour $x\geqslant0$ et $\mu x^2$ pour $x<0$, avec $\lambda$ et $\mu$ indépendants.