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Substitutions importantes

Dans le document Math´ematiques pour Informaticiens (Page 73-77)

5 7 5 & et posons ?1 & $ɋ  7 . Cela donne & ç ‹ & $J‹ D 5 E ?1 & $J‹4 7 et D , E 7 Â

apparaissent en comparant les parties r´eelles et imaginaires des deux membres. Les constantesF

'&Â etG 1 7 Â

s’obtiennent de mani`ere analogue. Ces calculs livrent finalement le r´esultat

+ & 5 à 7   {}Ÿ 5 7 5 & 1 7 5 & 5 7 k!¢ ›û kKŸ 7 5 & 5 k4¢ ›û k/Ÿ 7 1 & (4.14)

Remarque. La d´ecomposition en fractions simples fut un des stimulants au r´eveil de l’int´erˆet des math´ematiciens du XVIII

si`ecle pour les racines des polyn ˆomes et pour l’alg`ebre.

V.5 Substitutions importantes

Le r´esultat pr´ec´edent va nous permettre, grˆace `a diverses substitutions, de trouver la primitive pour d’autres classes de fonctions. Dans tout ce qui suit,

repr´esente une fonction rationnelle `a une, deux ou trois arguments.

Int´egrales de la forme

7



5

Çdš4+ . Voici une substitution ´evidente :

7  5 Ç î î 1wÇ  +  X î Õ X (5.1) elle donne 7  5 Ç( +  î î 1”Ç  î Õ î +î o`u

î est une fonction rationnelle. On peut donc calculer cette derni`ere int´egrale par les tech-niques d´evelopp´ees ci-dessus.

Int´egrales de la forme

Ú

ç

4+ . Il est ´evident de poser ici î

ï Ú ç avec U,ï Ú ç + et + Â

ŽUCî . La fonction `a int´egrer qui en r´esulte est une fonction rationnelle. Exemple, + 5  |}Ÿ@þ + 5 ç 1©ï Õ ç  î 65 îy1 & î 5 / 1©˜ & 7 ˜ {}Ÿ î 5 1 7 ˜ î 5 5 7 ˜ & 7 ˜ {}Ÿ ï ç 5 e1 7 ˜ ï ç 5 5 7 ˜ Int´egrales de la forme  |•Ÿ ›Lœ/ û kKŸ

š4+ . Une des plus c´el`ebres d´ecouvertes de l’Antiquit´e

grecque (Pythagore 570–501 av. J.-C., voir aussi R.C. Buck 1980, Sherlock Holmes in Babylon, Am. Math. Monthly vol. 87, Nr. 5, p. 335-345) sont les triplets –Œ**˜K , Ž˜/

& * & Œ/ , –ž*/*L/˜/, , qui satisfont 5 Ç æ et sont de la forme (î , î 1 &  , î 5 & Â

) ; cela sugg`ere la substitution

 |•Ÿ î & 5 ›Lœ/ & 13î & 5 û k/Ÿ î & (5.2)

74 Calcul int´egral On v´erifie que  |•Ÿ î= & 5 ›Lœ/

š ; par cons´equent le point

›Lœ/  |•Ÿ

š est l’intersection de la droite ýÈ î=

&

5

ù

et du cercle unit´e (voir la figure). Doncî

û k/Ÿ  / , k!¢ ›#û k/Ÿ î , et + & 5 î Õ ó é ó é ó ó é î Â

Cette substitution transforme

 |•Ÿ ›œK û k/Ÿ š4+ en int´e-grale d’une fonction rationnelle.

Exemple. + 5  |}Ÿ *+î & 5 î – 5 ó ó é î 75 î 5 &

La derni`ere int´egrale nous est d´ej`a connue (4.18) ; par cons´equent,

+ 5  |}Ÿ 7 Œ k!¢ ›û kKŸ 7 Œ î 5 & 7 Œ k!¢ ›#û k/Ÿ 7 Œ û k/Ÿ 5 & Int´egrales de la forme 7  ­5 *NJ 5 æ š4+ . L’id´ee (Euler 1768,

88) est de d´efinir une nouvelle variable> par la relation

5 *NJ 5 æ= "Y1©>K

. Cela donne la substitution

C> 1 æ 0?Ç 5 ¡>Ô + "?C> 5 *Çd> 5 æ 5 C>K +¡>K 7  5 *NJ 5 æ% $ 7 «Ž>13š $ 7  X C> 5 *Çd> 5 æ ŽÇ 5 ¡>Ô > g$ 7  75 *NJ 5 æ 7  (5.3)

et il s’agit `a nouveau de calculer l’int´egrale d’une fonction rationnelle. Parfois, il est plus simple de transformer l’expression 7

 =5

/Çu

5

æ

par une substitution lin´eaire>

è

5

, en une des formes

7 > 5 & 7 > 1 & 7 & 1w>

Puis, les substitutions

>  |•ŸAþ î > ›Lœ/ þ î >  |•Ÿ î (5.4)

permettent d’´eliminer les racines carr´ees de l’int´egrale.

Exemple. Consid´erons, une fois de plus, l’int´egrale (3.15). En posant

 |}Ÿ@þ î , nous obtenons 7 ­5 & + ›Lœ/ þ î;+î & 5 ›œ/ þ î 5  |}Ÿ@þ î î 5  |•ŸAþ î ›œ/ þ î & {•Ÿ 5 7 75 & 5 7 5 &

Remarquons, que la fonction inverse de



|•ŸAþ

î est obtenue en posant

ï

ó dans la d´efinition de 

|}Ÿ@þ

î et en calculant les racines du polyn ˆome

1z’Y1 &8

P ce qui est ´equivant `a

;1q Õ .

Chapter VI

Equations diff´erentielles ordinaires

Une ´equation diff´erentielle ordinaire est une ´equation de la forme

ÑZ -, ou -§§ ÑZ -a-§ ou

Il s’agit donc de trouver une fonction-)š telle que

š ÑZ .-Zš4 ou -§§ š ÑZ .­š.-§ š4

pour tout dans un certain intervalle.

Dans ce chapitre nous commenc¸ons par le cas o`u-)š est une fonction scalaire. Nous traitons quelques exemples historiques, et des probl`emes qu’on peut r´esoudre analytiquement. (Cette partie suit de pr`es la pr´esentation des paragraphes II.7 et II.8 du livre “L’analyse au fil de l’histoire” de Hairer & Wanner.) Ensuite nous consid´erons la situation o`u -)š est une fonction vectorielle (-yb

f

) et nous ´etudions l’existence et l’unicit´e des solutions.

VI.1 Exemples historiques

Un excellent article sur l’origine des ´equations diff´erentielles est ´ecrit par G. Wanner1. Nous en prenons deux exemples.

VI.1.1 La tractrice

Lors du s´ejour de Leibniz `a Paris (1672–1676) durant lequel il suit des cours d’Huygens, Claude Perrault, c´el`ebre anatomiste et architecte, lui pose le probl`eme suivant : quelle est la courbe qui a la propri´et´e qu’en chacun de ses points: le segment de la tangente entre: et l’axe est de longueur constante ? Pour concr´etiser cette question, Perrault tire de son

gousset une “horologio portabili suae thecae argenteae” et la fait glisser sur la table. Il pr´ecise qu’aucun math´ematicien parisien ni toulousain (Fermat) n’a ´et´e capable de trouver l’´equation de la courbe.

Leibniz publie sa solution en 1693 en affirmant la connaˆıtre depuis longtemps : puisque

+-+ 1 i.e. 1  - + (1.1)

on trouve la solution par quadratures. Leibniz affirme que c’est un “fait bien connu” que cette aire peut ˆetre exprim´ee `a l’aide d’un logarithme, ce qui se v´erifie avec la substitution 

, 1

76 Equations diff´erentielles ordinaires  ,

Á+a , qui m`ene `a

5 F 1  -  1q +a 1 & 5  & 1q 5 &  5 +a 1Œ;1  { œ «11  5 1  1” { œ «1 

Si l’on veut que

 pour

P , la constante d’int´egartion s’annule.

VI.1.2 La cat´enaire

Galil´ee (1638) affirme que la forme d’une chaˆıne suspendue entre deux clous est presque une parabole. Environ 20 ans plus tard, un jeune Hollandais ˆag´e de 16 ans (Christiaan Huygens) d´emontre l’impossibilit ´e de ce r´esultat. Enfin, la solution du probl`eme de la forme d’une corde flexible suspendue (“Linea Catenaria vel Funicularis”) par Leibniz (1691) et Joh. Bernoulli (1691) fut un succ`es consid´erable pour le calcul diff´erentiel.

¨ Ã -: D

Figure VI.1: La cat´enaire (gauche) et un dessin de Leibniz de 1691 (droite)

Pour un point : de la courbe, consid´erons la force horizontale¨ et la force verticale à (fig-ure VI.1). Nous avons alors que

¨ ¡ à r (o`u etr

sont des constantes et est la longeur d’arc

D

: ) parce qu’il n’y a pas de force horizontale ext´erieure et à repr´esente la pesanteur de la partie

D

: de la chaˆıne. En notant la pente en : par

v , nous obtenons v +-+ à ¨ r 

Apr`es diff´erentiation, nous avons avecæ%

  r æ)X +v +I & 5 v + (1.2)

une ´equation diff´erentielle pour les variablesv et . En utilisant la substitutionv

 |}Ÿ@þ î , une int´egration donne2 Y13â æ +v & 5 v æ æ)X î Par cons´equent, v  |}Ÿ@þ Y1Éâ æ et í 5 æZX ›Lœ/ þ ¤13â æ (1.3) 2Rappelons que hÉ Â ¬ ¦ ,hÉ Â4Æ ¦ , ¬ áÉ ¤ , la d´eriv´ee de!"$# % est !% et la d´eriv´ee de!% est!"$# % .

Equations diff´erentielles ordinaires 77

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