mathématiques (MP/MPI) · Chapitre 10 · Exercice de TD
Réduction d'ordre : fabriquer la seconde solution
Équations différentielles linéaires · D. Ordre 2 : wronskien, variation des constantes, séries entières · niveau 3 (difficile)
Énoncé
Sur , on considère . a) Vérifier que en est solution. b) Écrire l'équation vérifiée par le wronskien d'un couple de solutions, et la résoudre. c) En déduire une seconde solution indépendante, puis la solution générale. d) Énoncer la méthode générale de réduction d'ordre, et dire où elle peut échouer.
Corrigé
La stratégie : le wronskien n'est pas un test, c'est une équation. Le cours donne pour : une équation du premier ordre, qu'on sait résoudre. connu et connue, l'égalité est encore une équation du premier ordre en . On a ramené l'ordre à deux ordres : c'est le sens du mot « réduction d'ordre ».
a) Avec : , , donc . Sur les coefficients et sont continus et l'équation est normalisée : l'espace des solutions y est de dimension .
b) Ici , donc , équation scalaire d'ordre homogène sur : . (On peut refaire le calcul plutôt que de citer : , les termes se détruisant ; en remplaçant , les termes en se détruisent à leur tour et il reste .) Prenons , soit : comme ne s'annule pas sur , le couple sera automatiquement une base, par le théorème de caractérisation des bases.
c) L'égalité s'écrit . Divisons par : le membre de gauche est une dérivée de quotient, Le terme est un multiple de : on le supprime sans rien changer. Prenons . Vérification : . Indépendance : sur . La solution générale est
Contrôle indépendant. Multiplions l'équation par : elle devient , une équation d'Euler, pour laquelle on cherche les solutions : , soit et . On retrouve et par une méthode entièrement différente.
d) La méthode générale. Soit et une solution qui ne s'annule pas sur . Posons : alors , , et Le terme en disparaît — c'est tout l'intérêt de la substitution : il reste une équation du premier ordre en , dont la résolution donne Sur l'exemple : , , donc , , — le même résultat.
Le point délicat : la formule exige . Aux zéros de la division est interdite. Ce n'est pas fatal — les zéros d'une solution non nulle sont isolés, comme le problème final le démontrera, donc la méthode fournit sur chaque intervalle entre deux zéros consécutifs, et le théorème de Cauchy prolonge ensuite à tout entier. Mais la formule, elle, est locale.
Ce que l'exercice installe. Le wronskien a trois emplois et l'on ne connaît souvent que le premier : tester l'indépendance, constater que le test ne dépend pas du point, et calculer — seul emploi véritablement actif. La relation , dite formule d'Abel ou de Liouville, réduit l'ordre à deux ordres dès qu'on connaît une solution. Au problème final, c'est le signe de qui portera tout le raisonnement.