Où sont les racines du trinôme caractéristique ?
Exercice de TD · niveau 2 · mathématiques (PCSI), chapitre 3 — Nombres complexes · E. Équations algébriques
Énoncé
Soient et . On considère (on le rencontre en physique : c'est le trinôme caractéristique de l'oscillateur amorti de pulsation propre et de facteur de qualité ).
a) Résoudre dans , en distinguant les cas , et .
b) Sans utiliser les expressions obtenues, montrer à l'aide de la somme et du produit des racines que celles-ci ont toujours une partie réelle strictement négative, et que, lorsqu'elles ne sont pas réelles, elles sont toutes deux de module .
c) Déterminer l'ensemble des racines de obtenues lorsque décrit (le « lieu des racines ») : on prouvera les deux inclusions, en exprimant en fonction de pour la seconde. Représenter .
d) Pour , on écrit les racines avec . Exprimer et en fonction de et , montrer que , et donner les limites de et de quand .
Corrigé
Ce qu'on a le droit d'utiliser. La résolution du second degré dans , la somme et le produit des racines, le fait qu'un trinôme réel de discriminant négatif a deux racines conjuguées, et .
a) La résolution. Le discriminant vaut du signe de , c'est-à-dire du signe de puisque .
Si : , deux racines réelles distinctes, Si : , une racine double, .
Si : , et est une racine carrée de ; deux racines complexes conjuguées,
b) La localisation par la somme et le produit. Notons , les racines (éventuellement confondues). Le cours donne Si les racines sont réelles : leur produit est strictement positif, elles sont donc non nulles et de même signe ; leur somme est strictement négative, elles sont donc toutes deux strictement négatives.
Si elles ne sont pas réelles : les coefficients de étant réels et le discriminant négatif, elles sont conjuguées, . Alors , d'où ; et , d'où .
Dans tous les cas, les racines ont une partie réelle strictement négative, et les racines non réelles sont sur le cercle de centre et de rayon .
Le point délicat. Le b) ne calcule rien : il lit la somme et le produit, et en tire la position des racines. Les expressions explicites cachent l'information — le module des racines complexes ne se voit pas sur les formules du a).
c) Le lieu des racines. Montrons que Première inclusion. Soit une racine de pour un certain . Si elle est réelle, le b) dit qu'elle est strictement négative. Sinon, elle est de module et de partie réelle strictement négative : avec , ce qui, quitte à changer d'un multiple de , revient à .
Seconde inclusion. Il faut, pour chaque point candidat , trouver un dont il soit racine. Soit d'abord réel. L'équation s'écrit ; comme , elle se résout en : et ce est strictement positif puisque : . Soit ensuite avec , de sorte que . Posons : alors , et car la somme de et de son conjugué vaut et leur produit . Donc est racine : .
La figure. Le lieu est formé de la demi-droite réelle négative ouverte et du demi-cercle ouvert de gauche, de centre et de rayon , qui se rencontrent en . Quand croît de à , les deux racines réelles, venues l'une de , l'autre de , se rejoignent en ; pour , elles quittent l'axe en restant conjuguées et glissent sur le demi-cercle vers , sans les atteindre.
d) Le régime pseudo-périodique. Pour , le a) donne, en faisant entrer sous la racine : Comme , on a : la pseudo-pulsation est strictement inférieure à la pulsation propre. On vérifie au passage , ce que le b) annonçait. Quand , et : sans amortissement, on retrouve les racines de l'oscillateur harmonique.
Contrôle numérique. Pour et , les racines valent , de module . Dix mille tirages de confirment la localisation, les expressions de et , et les deux inclusions du c).
Ce que l'exercice installe. La somme et le produit localisent les racines sans les calculer ; un lieu se démontre par double inclusion, et la seconde exige de construire le paramètre, ici en fonction de . En physique, ce sont les trois régimes de l'oscillateur amorti — apériodique pour , critique pour , pseudo-périodique pour — et la partie réelle négative des racines est la raison pour laquelle, dans les trois cas, les solutions de l'équation différentielle tendent vers zéro.
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