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Équations différentielles linéaires du second ordre en prépa : forme canonique, régimes, stabilité

Reconnaître et résoudre l'équation du second ordre à coefficients constants : forme canonique, pulsation propre, facteur de qualité, trois régimes, conditions initiales et odeint, en mécanique, en électricité et en SII.

Les nombres sont ceux du chapitre complet ; chaque filière voit la partie qui correspond à son programme.

Une équation différentielle linéaire du second ordre à coefficients constants décrit tout système à deux réserves d'énergie : un circuit RLC, une masse sur un ressort, un moteur avec sa bobine, un système asservi. Sous forme canonique, elle donne sans calcul la pulsation propre et le facteur de qualité, donc le régime. Ce chapitre apprend à dire si le système est stable avant de résoudre, à fixer deux constantes sur la solution complète, à lire une courbe et à passer au calcul numérique, avec les notations de la physique, de la chimie et des SII, pour les filières scientifiques au Maroc et en France.

Ce que tu sauras faire

Une tension qui oscille en s'amortissant, une masse sur un ressort, un moteur qui prend sa vitesse, un système asservi qui dépasse sa consigne : ces évolutions obéissent à la même équation. Quand on la reconnaît, on sait dire sans calcul si le système revient à l'équilibre, s'il oscille et combien de temps cela dure. Le chapitre sur le premier ordre a posé la méthode ; celui-ci la prolonge à deux dérivées, en physique, en sciences industrielles et en chimie.

À la fin de ce chapitre, tu sais :

L’essentiel du chapitre Extrait gratuit

Un extrait de la fiche « L'essentiel » du chapitre. Les démonstrations sont dans le cours détaillé.

À retenir Notations
  • yy : inconnue ; y0y_0, y˙0\dot y_0 : valeur et dérivée initiales ; y∞y_\infty : valeur finale ; B1B_1, B2B_2 : constantes d'intégration.
  • ω0\omega_0 : pulsation propre ; QQ : facteur de qualité ; ξa\xi_{\text a} : facteur d'amortissement.
  • r1r_1, r2r_2 : racines ; Δr\Delta_r : discriminant ; ωp\omega_{\text p}, TpT_{\text p} : pseudo-pulsation, pseudo-période ; τenv\tau_{\text{env}} : temps de l'enveloppe ; δlog⁡\delta_{\log} : décrément sur une pseudo-période.
  • E\mathcal E : force électromotrice ; ReˊlR_{\text{él}} : résistance électrique ; krk_{\text r} : raideur ; αf\alpha_{\text f} : coefficient de frottement fluide.
  • SII : sortie yy, entrée yey_{\text e}. Les SII écrivent ss, ee, KK, ωn\omega_n pour yy, yey_{\text e}, KsK_{\text s}, ω0\omega_0.
  • λ\lambda a deux sens selon les sujets : sans dimension, ou en s−1\text{s}^{-1}. On regarde devant quoi il se trouve.
À retenir Forme canonique, trois écritures
Discipline Écriture
maths y′′+ay′+by=f(x)y'' + ay' + by = f(x)
physique y¨+ω0Qy˙+ω02y=ω02y∞\ddot y + \dfrac{\omega_0}{Q}\dot y + \omega_0^2y = \omega_0^2y_\infty
SII 1ω02y¨+2ξaω0y˙+y=Ksye\dfrac{1}{\omega_0^2}\ddot y + \dfrac{2\xi_{\text a}}{\omega_0}\dot y + y = K_{\text s}y_{\text e}

Q=1/(2ξa)Q = 1/(2\xi_{\text a}). ω0\omega_0 se lit sur le terme en yy, QQ sur le terme en y˙\dot y, y∞y_\infty sur un second membre constant. Le second membre vaut ω02y∞\omega_0^2y_\infty, pas y∞y_\infty.

À retenir Stabilité

Pour a2y¨+a1y˙+a0y=0a_2\ddot y + a_1\dot y + a_0y = 0 : a1a_1 et a0a_0 de même signe que a2a_2, toutes les solutions tendent vers 00. a1=0a_1 = 0 et a0a_0 de même signe que a2a_2 : bornées, oscillation sans fin. Un coefficient de signe opposé : solutions non bornées, sauf conditions initiales particulières. Le signe de Δr\Delta_r dit si le système oscille, pas s'il revient.

À retenir Sans amortissement
  • y¨+ω02y=0\ddot y + \omega_0^2y = 0 : y=B1cos⁡ω0t+B2sin⁡ω0ty = B_1\cos\omega_0t + B_2\sin\omega_0t.
  • y¨−y/τ2=0\ddot y - y/\tau^2 = 0 : y=B1et/τ+B2e−t/τy = B_1\mathrm e^{t/\tau} + B_2\mathrm e^{-t/\tau}. τ\tau est un temps, pas l'inverse d'une pulsation.

On les écrit directement, sans équation caractéristique.

À retenir Les trois régimes

P(r)=r2+ω0Qr+ω02P(r) = r^2 + \dfrac{\omega_0}{Q}r + \omega_0^2, seuil Q=12Q = \dfrac12, soit ξa=1\xi_{\text a} = 1.

QQ Solution de l'équation homogène
Q>12Q > \frac12 e−t/τenv(B1cos⁡ωpt+B2sin⁡ωpt)\mathrm e^{-t/\tau_{\text{env}}}(B_1\cos\omega_{\text p}t + B_2\sin\omega_{\text p}t)
Q=12Q = \frac12 (B1+B2t) e−ω0t(B_1 + B_2t)\,\mathrm e^{-\omega_0t}
Q<12Q < \frac12 B1er1t+B2er2tB_1\mathrm e^{r_1t} + B_2\mathrm e^{r_2t}, racines réelles négatives

τenv=2Q/ω0\tau_{\text{env}} = 2Q/\omega_0, ωp=ω01−1/(4Q2)\omega_{\text p} = \omega_0\sqrt{1 - 1/(4Q^2)}, Tp=2π/ωpT_{\text p} = 2\pi/\omega_{\text p}. Le régime dépend de QQ, jamais des conditions initiales.

Une méthode du chapitre Extrait gratuit

Un exercice corrigé Extrait gratuit

Dans le chapitre complet

Le cours détaillé, toute la fiche « L'essentiel », 19 méthodes, 22 pièges corrigés, la carte mentale, 40 exercices corrigés, 5 problèmes de concours, les fiches à mémoriser et l'assistant qui répond à tes questions. Les trois premiers chapitres de chaque matière sont offerts avec un compte d’essai gratuit.

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Plan du cours

Les méthodes du chapitre

Chaque méthode est une fiche : quand l'utiliser, le rappel de cours, les étapes, la rédaction attendue sur la copie, un exemple traité, les erreurs à éviter.

  1. Reconnaître l'équation, la mettre sous forme canonique, lire ω0\omega_0, QQ, y∞y_\infty
  2. Passer d'une écriture à l'autre : maths, physique, SII, ξa\xi_{\text a}, λ\lambda
  3. Dire si le système est stable, par les signes, avant tout calcul
  4. Prévoir sans résoudre : y(0+)y(0^+), y˙(0+)\dot y(0^+), y∞y_\infty, régime, allure
  5. Trouver les deux conditions initiales, y˙(0+)\dot y(0^+) selon la variable
  6. Résoudre l'équation homogène : caractéristique, signe de Δr\Delta_r, forme à écrire
  7. Écrire directement y¨=∓…\ddot y = \mp\dots, choisir exp ou ch, sh
  8. Résoudre l'équation complète : solution particulière, puis constantes sur la somme
  9. Retirer un second membre constant en changeant d'origine
  10. Second membre exponentiel, réel ou complexe : calculer P(rS)P(r_{\text S})
  11. Passer de B1cos⁡+B2sin⁡B_1\cos + B_2\sin à ymcos⁡(⋅+φ)y_{\text m}\cos(\cdot + \varphi), avec le signe de cos⁡φ\cos\varphi
  12. Établir l'équation : forces, position d'équilibre, écart ; circuit à deux mailles
  13. Lire une courbe pseudo-périodique : TpT_{\text p}, δlog⁡\delta_{\log} sur les écarts, QQ
  14. Identifier un second ordre en SII : allure, KsK_{\text s}, ξa\xi_{\text a}, ω0\omega_0, contrôle par D2=D12D_2 = D_1^2
  15. Choisir un amortissement et juger une durée
  16. Passer à deux équations du premier ordre, appliquer Euler
  17. Choisir le pas d'Euler au second ordre, et valider
  18. Écrire F(Y, t) et lancer odeint
  19. Traiter un oscillateur mécanique, simuler en pseudo-code

Les exercices corrigés

Chaque exercice a ses indications, sa correction rédigée et ce qu'il faut en retenir.

Application directe (15)

Entraînement (19)

Approfondissement (6)

Les problèmes de concours

Des extraits de sujets réels, corrigés en entier, avec la durée conseillée et les méthodes mobilisées.

Sujets de concours sur ce chapitre

Les 12 sujets les plus récents sur 70, à télécharger gratuitement en PDF, sans corrigé. Tous les sujets de concours.

Questions fréquentes

Quelle est la forme canonique d'une équation du second ordre ?

C'est l'écriture y¨+(ω0/Q) y˙+ω02 y=ω02 y∞\ddot y + (\omega_0/Q)\,\dot y + \omega_0^2\,y = \omega_0^2\,y_\infty, obtenue en divisant par le coefficient de y¨\ddot y. Elle donne sans calcul la pulsation propre ω0\omega_0, le facteur de qualité QQ et, pour un second membre constant, la valeur finale y∞y_\infty. Le second membre vaut ω02y∞\omega_0^2y_\infty, et non y∞y_\infty.

Quels sont les trois régimes d'un système du second ordre ?

Tout dépend de la position de QQ par rapport à 1/21/2. Pour Q>1/2Q > 1/2, le régime est pseudo-périodique : des oscillations amorties. Pour Q=1/2Q = 1/2, il est critique. Pour Q<1/2Q < 1/2, il est apériodique : deux exponentielles réelles, sans oscillation. Le régime dépend de QQ seul, jamais des conditions initiales.

Comment dire si un système du second ordre est stable ?

On regarde les signes des coefficients de l'équation homogène a2y¨+a1y˙+a0y=0a_2\ddot y + a_1\dot y + a_0y = 0. S'ils sont tous les trois de même signe, toutes les solutions tendent vers 00. Si a1a_1 ou a0a_0 est de signe opposé à celui de a2a_2, les solutions ne sont pas bornées en général. Un discriminant négatif dit seulement que le système oscille, pas qu'il revient à l'équilibre.

Le régime critique est-il le plus rapide ?

Pas tel quel. À vitesse initiale nulle et à ω0\omega_0 fixé, c'est le retour le plus rapide sans dépassement. Avec une tolérance de 5 %, le temps de réponse vaut 4,7/ω04{,}7/\omega_0 au critique et 2,9/ω02{,}9/\omega_0 pour un facteur d'amortissement de 0,70{,}7. Le minimum, 2,86/ω02{,}86/\omega_0, se trouve juste au-dessus de 0,6900{,}690.

Que valent la pseudo-pulsation et la pseudo-période ?

Pour Q>1/2Q > 1/2, la pseudo-pulsation vaut ω01−1/(4Q2)\omega_0\sqrt{1 - 1/(4Q^2)}, et la pseudo-période est 2π2\pi divisé par cette pulsation. L'écart à ω0\omega_0 vaut 0,5 %0{,}5\ \% à Q=5Q = 5 et 13 %13\ \% à Q=1Q = 1 : on ne confond les deux qu'après avoir chiffré cet écart.

Un système apériodique peut-il dépasser sa valeur finale ?

Oui, s'il part avec une vitesse. À vitesse initiale nulle, il ne dépasse jamais. Si sa dérivée initiale, dirigée vers y∞y_\infty, dépasse le produit de la racine rapide, en valeur absolue, par l'écart initial à y∞y_\infty, il passe au-delà de sa valeur finale, puis il revient lentement.

Quel pas choisir pour la méthode d'Euler au second ordre ?

On pose v=y˙v = \dot y pour obtenir deux équations du premier ordre. Pour Q>1/2Q > 1/2, la suite reste bornée si Δt<1/(Qω0)\Delta t < 1/(Q\omega_0) ; sans amortissement, elle diverge pour tout pas. Ce critère ne dit rien de la précision : on contrôle l'énergie, puis on divise le pas par deux.

Comment y accéder

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