Deux solutions qui se touchent une fois coïncident partout, sans les calculer
Exercice de TD · niveau 2 · mathématiques (PT), chapitre 9 — Équations Différentielles et Calcul Différentiel · Unicité de Cauchy et superposition
Énoncé
Montrer, sans calcul de solutions, que deux solutions d'une même équation qui coïncident en un point coïncident partout (la différence est solution de l'homogène et s'annule en un point : injectivité de l'évaluation).
Corrigé
Ce qu'on montre. Soient et continues sur un intervalle , et , deux solutions sur de . Si pour un seul , alors sur tout entier. On n'utilise que la linéarité de l'équation et le théorème « dérivée nulle sur un intervalle donc fonction constante ». Aucune solution n'est calculée : c'est tout l'intérêt.
1. La différence est solution de l'équation homogène. Posons , dérivable sur . En soustrayant les deux égalités , le second membre disparaît : C'est le bénéfice de la linéarité : deux solutions d'une équation affine diffèrent d'une solution de l'homogène.
2. Une quantité conservée. La fonction est continue sur l'intervalle , donc elle y admet une primitive . Posons , dérivable sur comme produit. Alors pour tout , par l'étape 1.
3. Conclusion. est nulle sur l'intervalle : y est donc constante, égale à . Comme l'exponentielle ne s'annule jamais, pour tout , c'est-à-dire sur .
Le point délicat. L'hypothèse « est un intervalle » sert deux fois — pour construire la primitive , puis pour conclure de à constante — et elle n'est pas gratuite. Elle suppose aussi l'équation déjà résolue en , avec des coefficients continus. Pour , le facteur devant s'annule en : la forme n'a de sens que sur et sur séparément, et de fait deux solutions définies sur tout entier peuvent y coïncider en sans coïncider ailleurs. L'énoncé serait faux si l'on oubliait cette hypothèse.
Le point à retenir. L'application « solution sa valeur en » est injective sur l'ensemble des solutions : une condition initiale détermine la solution entière. C'est le contenu du théorème de Cauchy linéaire, obtenu ici sans écrire une seule solution.
Les autres exercices de ce chapitre Le cours du chapitre
Un blocage sur cet exercice ? Le tuteur d'Adloun guide par questions, sans donner la réponse.