Corrigé CCP PC maths 2 2007 Partie I
1. Remarque (f0; f1)est la base introduite dans le cours pour l’étude des solutions.
Par récurrence :
Soity une solution de(E)surI,y est de classeC2surI.
Supposonsy de classeCn surI . Alorsy00= ':y est de classeCn car'est de classeC1, doncy de classeCn+2 et donc aussi de classe Cn+1 surI.
Par récurrence sur n,y est de classeCn surIpour toutn2N y est de classeC1 surI
2. Soit y solution de (E)sur I. Comme I est symétrique par rapport à0, on peut dé…nir surI la fonction z : 8x 2I , z(x) =y( x)et elle est de classeC1surI cary l’est.
De plus,
8x2I; z0(x) = y0( x)et z00(x) =y00( x) Donc comme'est paire
8x2I z00(x) +'(x)z(x) =y00( x) +'( x):y( x) = 0 La fonctionz est donc solution de(E)surI.
Si yest solution de(E),x > y( x)est aussi solution 3. Soitz0 la fonction dé…nie surI par8x2I; z0(x) =f0( x).
D’après la question précédente : z0 est solution de(E)sur I et véri…e les conditions initialesz0(0) =f0(0) = 1, z00(0) = f00(0) = 0. D’après le résultat rappelé en préambule (ou d’après le théorème de Cauchy Lipchitz) , il existe une unique solution de(E)surIvéri…ant ces conditions initiales : par conséquentz0=f0et la fonctionf0 est paire .
Soitz1 la fonction dé…nie surI parz1(x) = f1( x).
D’aprèsI.2,z1est solution de(E)surI(opposé d’une solution d’une équation linéaire homogène) , etz1(0) = f1(0) = 0 et z01(0) =f10(0) = 1.
D’après l’unicité de la solution de(E)véri…ant ces conditions initiales,z1=f1et la fonctionf1est impaire.
(E)est une équation di¤érentielle linéaire homogène du second ordre, résoluble dont les coe¢ cients sont des fonctions continues surI : on sait alors que l’ensemble des solutions de(E)surI est un espace vectoriel de dimension 2.
(f0; f1)est un système de solutions de(E)surI, de cardinal 2. De plus il est libre :
Pour tout( 0; 1)2R2 tel que 0f0+ 1f1= 0, en prenant la valeur en0 puis la dérivée en0, 0= 0et 1= 0 On en déduit que (f0; f1) est une base de l’espace vectoriel des solutions de (E) sur I. ce que l’on peut encore traduire en disant que la solution générale de(E)est du type :
y solutions de(E)si et seulement si 9( 0; 1)2R2,y= 0f0+ 1f1 ( 0; 1)2R2 Remarque : on peut aussi calculer le Wronskien des deux fonctions.
Soitf = 0f0+ 1f1 une solution de(E). Or dans C1(I;R)l’ensemble des fonctions paires et celui des fonctions impaires sont deux sous espaces vectoriels supplémentaires . Doncf est paire (impaire) si et seulement si 1= 0(
0= 0)
Les solutions de (E)paires sont les fonctions deVect (f0)et les solutions de(E)impaires sont les fonctions deVect (f1).
4. SoitW =f10f0 f1f00 le Wronskien def0etf1. Comme on a montré que(f0; f1)est un système fondamental de solution, W est toujours non nul.
1. uestC1 surIcomme quotient à dénominateur non nul de fonctionsC1et u0= f10f0 f00f1
f02 = W f02 Doncu0 ne s’annule pas surI .
D’autre part,
u00= W0f0 2W f00 f03 Mais W0=f100f0 f000f1= 'f1f0+'f0f1= 0et
u00
u0 = 2f00 f0
2. On a donc Z u00
u0 = 2 Z f00
f0 Soit
ln (ju0j) = 2 ln (jf0j) +K et donc
u0 = eK 1 f02
d’où le résultat voulu en posantB = K (B est bien constante car les fonctions étant continues sans racines , ne peuvent pas changer de signe).
Remarque : on peut aussi partir de W0 = 0pour en déduire que W est constante. ( le rapport du jury signale que cette méthode a été acceptée aussi)
3. De plusu0(0) = f10(0)f0(0) f00(0)f1(0)
f02(0) = 1 et 1
f02(0) = 1 , doncB = 1. On a donc :
8x2I : u(x) =u0+C Si x= 0on trouveC= 0. D’où :
f1=f0u0 5.
1. 8x2I; f(x) = cos2(x),f0(x) = 2 cos(x) sin(x)et f00(x) = 2 sin2(x) cos2(x) Commef ne s’annule pas surI et qu’elle est solution de(E), on a donc :
8x2I; '(x) = f00(x)
f(x) = 2 1 tan(x)2 '= 2 1 tan2
On remarque quef(0) = 1 etf0(0) = 0. et donc par unicitéf0=f. 2. On a pour toutx2] =2; =2[comme 1
cos2 = 1 + tan2= tan0 u0(x) =
Z x 0
dt cos(t)4 =
Z x 0
1 + tan(t)2 cos(t)2 dt=
Z x 0
1 + tan(t)2 (tan(t))0dt= tan(t) +1 3tan(t)3
x
0
8x2] =2; =2[; u0(x) = tan (x) +1
3tan(x)3
3. D’aprèsI.4.3, pour toutx2I=] =2; =2[, f1(x) =u0(x)f0(x) = tanx+1
3tan3x cos2x
f1(x) = tan (x) +1
3tan (x)3 cos (x)2
On a une base de l’espace vectoriel des solutions .Donc la solution générale de(E)surIest : y(x) = 0cos2x+ 1 tanx+1
3tan3x cos2x ( 0; 1)2R2 :
plusieurs variantes possibles . Par exemple f1(x) = tan(x) +1
3tan(x)3 cos(x)2= tan(x) cos(x)2+sin(x)2
3 =
Partie II
1. Soityune solution de(E)surR. D’aprèsI.1,yest de classeC1surR, donc la fonction dé…nie par8x2R; Y(x) =y(x+2 ) est aussi de classeC1 surRet on a pour tout x2R,Y0(x) =y0(x+ 2 ) etY00(x) =y00(x+ 2 ).
De plus, pour toutx2R, comme'est2 -périodique,
Y00(x) +'(x)Y(x) =y00(x+ 2 ) +'(x+ 2 )y(x+ 2 ) = 0:
Siy est solution de(E)surR, Y :x7!y(x+ 2 ) l’est également
2. En particulier les fonctions :8x2R,x > f0(x+ 2 )et:8x2R; x > f1(x+ 2 )sont solutions de (E)surR. Comme(f0; f1)est une base de l’espace vectoriel des solutions , elles sont combinaisons linéaires def0etf1ce qui assure l’existence de constantes(wi;j)telles que :
8x2R:f0(x+ 2 ) =w00f0(x) +w10f1(x) f1(x+ 2 ) =w01f0(x) +w11f1(x) On a alors en dérivant :
8x2R:f00(x+ 2 ) =w00f00(x) +w10f10(x) f10(x+ 2 ) =w01f00(x) +w11f10(x) En considérant les valeurs enx= 0, on obtientw0;0=f0(2 ); w10=f00(2 ); w01=f1(2 ); w11=f10(2 )
8x2R, f0(x+ 2 ) =f0(2 )f0(x) +f00(2 )f1(x) f1(x+ 2 ) =f1(2 )f0(x) +f10(2 )f1(x) 3. Remarque : W est la valeur en2 du Wronskien def0 etf1
Soit g une solution de (E) 2 périodique non identiquement nulle. Notons ( ; ) les coordonnées de g dans la base (f0; f1). On a doncg= f0+ f1.
Alors pour toutx2R, on a d’après II.2.
g(x) = g(x+ 2 ) = f0(x+ 2 ) + f(x+ 2 )
= (w0;0 +w0;1 )f0(x) + (w1;0 +w1;1 )f1(x) et donc comme on a une base : =w0;0 +w0;1
=w1;0 +w1;1 ) . c’est-à-dire =W De plusg n’est pas identiquement nulle donc 6= (0)
W admet1 pour valeur propre et comme vecteur propre associé.
Réciproquement si1 est valeur propre il existe un vecteur propre noté . La fonction g= f0+ f1 véri…e alors bieng(x+ 2 ) =g(x)et g6=e0
(E)admet une solution non nulle2 périodique ssi 1est valeur propre deW
4. Soitg une solution de(E)non nulle et2 -périodique.
D’après la questionI.2, la fonction x7!g( x)est encore solution de(E).
De plus par linéarité les fonctionsg+: x7!g(x) +g( x)et g :x7!g(x) g( x)sont encore solutions de(E)et sont 2 périodique.
Org+ est paire et donc d’aprèsI.39 2R,g+= :f0 De mêmeg est impaire et donc 9 ; g = f1
Si = = 0alorsg=g++g
2 =e0 absurde.
Si 6= 0f0= g+
est paire Si 6= 0: f1= g
est impaire.
5. Soitf(x; t) =K(x; t)f0(t)surR [ ; ]
1. Pour toutx2R, la fonctiont7!K(x; t)f0(t)est continue sur[ ; ]doncF est bien dé…nie surR. De plus comme pour tout(x; t)2R [ ; ],K( x; t) =K(x; t), la fonctionF est paire.
Pour montrer que f est C2on utilise le théorème de Leibniz :
par théorèmes d’opérations et composition, la fonctionf est de classeC2sur R2. f admet donc des dérivées partielles @f
@x et @2f
@x2 continues surRet :
8(x; t)2R [ ; ];
8>
<
>:
@f
@x(x; t) = kcostsinx ekcostcosxf0(t)
@2f
@x2(x; t) =k2cos2tsin2x ekcostcosxf0(t) kcostcosx ekcostcosxf0(t) 8x 2 R, t 7! f(x; t) t 7! @f
@x(x; t) et t 7! @2f
@x2(x; t) sont continues sur [ ; ] (segment) donc elles y sont intégrables.
Domination de la dérivée seconde :
8(x; t)2R [ ; ]; @2f
@x2(x; t) (k2+jkj):ejkjjf0(t)j: Cette fonction est continue sur [ ; ] (segment) donc y est intégrable.
On déduit du théorème de dérivation des intégrales à paramètre que la fonctionF est de classeC2 surR et
8x2R; 8>
><
>>
:
F0(x) = Z
kcostsinxekcostcosxf0(t)dt F00(x) =
Z
(k2cos2tsin2x kcostcosx)kcostcosxf0(t)dt
2. On a : K(x; t) =K(t; x)donc on peut utiliser une symétrie pour réduire le nombre de calculs.
si on dérive :
@K
@t (x; t) = (kcosxsint)K(x; t)et@2K
@t2 (x; t) = (k2cos2xsin2t kcosxcost)K(x; t) et par symétrie
@2K
@x2(x; t) = (k2cos2tsin2x kcostcosx)K(x; t)
8(x; t) 2 R2;@2K
@x2(x; t) + (a k2sin2x)K(x; t) = (k2cos2tsin2x kcostcosx+a k2sin2x)K(x; t)
= [ k2sin2xsin2t kcostcosx+a]K(x; t):
= @2K
@t2 (x; t) + (a k2sin2t)K(x; t)toujours par symétrie.
8(x; t)2R2 @2K
@x2(x; t) + (a k2sin2x)K(x; t) = @2K
@t2 (x; t) + (a k2sin2t)K(x; t)
En utilisant l’expression de F00 trouvée précédemment,8x2R; F00(x) + (a k2sin 2x)F(x) =
Z @2F
@x2(x; t):f0(t)dt+ (a k2sin2x) Z
K(x; t)f0(t)dt
=
Z @2K
@xc2(x; t) + (a k
2
sin2x)K(x; t)
! f0(t)dt
=
Z @2K
@t2 (x; t)dt+ (a k
2
sin2t)K(x; t
!
)f0(t)dt
=
Z @2K
@t2 (x; t)f0(t)dt+ Z
(a k2sin2t)K(x; t))f0(t)dt
les fonctions t7! @K
@t (x; t)etf0 sont de classeC1 surRet en intégrant par parties on obtient : Z @2K
@t2 (x; t)f0(t)dt= @K
@t (x; t)f0(t)
Z @K
@t (x; t):f00(t)dt Mais t 7! K(x; t) est 2 périodique donc t 7! @K
@t (x; t) l’est également et par hypothèse la fonction f0 est 2 - périodique.
On en déduit que @K
@t (x; t)f0(t) = 0.
On a donc Z @2K
@t2 (x; t)f0(t)dt=
Z @K
@t (x; t):f00(t)dt Une nouvelle intégration par partie donne :
Z @2K
@t2 (x; t)f0(t)dt= [ K(x; t):f00(t)] + Z
K(x; t)f000(t)dt:
t7! K(x; t)f00(t)est2 -périodique en tant que produit de deux fonctions2 -périodiques et donc[ K(x; t):f00(t)] = 0.
Finalement,
F00(x) + (a k2sin2x)F(x) = Z
K(x; t)f000(t) + Z
(a k2sin2t)K(x; t))f0(t)dt
= Z
f000(t) + (a k2sin2t)f0(t) K(x; t)dt
= 0 carf0solution de (E) 8x2R; F00(x) + (a k2sin2x)F(x) = 0
3. La fonctionF est paire et solution de(E)surR. D’aprèsI.3, il existe 2Rtel queF = f0, ce qui s’écrit encore : 9 2R 8x2R
Z
ekcostcosxf0(t)dt= f0(x)
Partie III
1. (E) y00+!2y= 0avec! >0est une équation linéaire à coe¢ cients constants classique:la solution générale de(E)sur Iest :
y(x) = cos (!x) + sin (!x) avec( ; )2R2 compte tenu des conditions initialesf0et f1 sont dé…nies surI par :
8x2I f0(x) = cos (!x) f1(x) = 1
!sin (!x)
2. Commesin estC1sur] =2; =2[sur] 1;1[, on a bieny2C1(I;R) De plus,
8x2I y0(x) =z0(sinx):cosx y00(x) = cos 2xz00(x) sinxz0(sinx)
y solution de (E) surI ; () 8x2I (1 sin2x)z00(sinx) sinxz0(sinx) +!2z(sinx) = 0 () 8X2] 1;1[ (1 X2)z00(X) Xz0(X) +!2z(X) = 0
en posantX= sin(x)qui décrit bien] 1;1[entier sixdécrit ] =2; =2[
3.
1. cette question est une analyse , la suivante sera la véri…cation.
degré: Dans le membre de droite de (E0) chaque terme est de degré au plus d , et le coe¢ cient de Xd est d(d 1) d+!2 adet donc!= d, et les quantité étant positives!=d. Ce qui impose que!soit entier (non nul par hypothèse)
relation entre les coe¢ cients : Pour tout X 2] 1;1[, z(X) =
Xd n=0
anXn; z0(X) = Xd n=1
nanXn 1; z00(X) = Xd n=2
n(n 1)anXn 2
on a donc
Xz0(X) = Xd n=1
nanXn = Xd n=0
nanXn etX2z00(X) =
+1
X
n=2
n(n 1)anXn=
+1
X
n=0
n(n 1)anXn
car pour n= 1etn= 0, les termes sont nuls.
En e¤ectuant le changement d’indicen > n+ 2, z00(X) =
d 2
X
n=0
(n+ 2)(n+ 1)an+2Xn:
z est solution de(E0)si et seulement si
d 2
X
n=0
((n+ 2)(n+ 1)an+2)Xn+ Xd n=0
n(n 1)an nan+!2an Xn = 0
d 2
X
n=0
(n+ 2)(n+ 1)an+2+ (!2 n2)an Xn+ (!2 (d 1)2)ad 1Xd 1+ !2 d2 adXd = 0:
Les deux fonctions polynômes sont égales sur] 1;1[de cardinal in…ni, donc les polynômes sont égaux donc les coe¢ cients sont égaux.
z véri…e (E0) si et seulement si8n2[[0; d 2]]; (n+ 2)(n+ 1)an+2 (n2 !2)an = 0etad 1= 0 Comme pour tout n2N,(n+ 2)(n+ 1)6= 0, on a :
8n2[[0; d 2]]; an+2= n2 !2 (n+ 2)(n+ 1)an
calcul des coe¢ cients : –sin= 2p dest pair : ,
a2p= (2p 2)2 !2) (2p)(2p 1) a2p 2
puis par récurrence surp: 8p 1; p d
2 : a2p=a0
Yp k=1
(2k 2)2 !2) (2k)(2k 1) =a0
Qp 1
k=0(4k2 !2) (2p)! :
En e¤et pourp= 1, a0 (2p)!
pY1 k=0
(4k2 !2) = !2
2 a0=a2 . Si l’égalité est vraie pour un certainp2N,
a2p+2= 4p2 !2
(2p+ 2)(2p+ 1): a0
(2p)!
pY1 k=0
(4k2 !2) = a0
(2p+ 2)!: Yp k=0
(4k2 !2).
L’égalité est vraie au rangp+ 1: la récurrence est établie.
–De même, pour toutn= 2p+ 1 d,a2p+1= (2p 1)2 !2
(2p+ 1)(2p) a2p 1. Par récurrence surp, on a alors 8p 1; p d 1
2 a2p+1=a1
Qp 1
k=0((2k+ 1)2 !2) (2p+ 1)!
contrainte : on veut ad 1= 0
–sid=!est pair , d 1est impair or((2k+ 1)2 !2)ne peut pas être nul (impair 6=pair) donca1= 0et z(X) =a0
0
@1 + X!=2 p=1
Qp 1
k=0(4k2 !2) (2p)! X2p
!1 A
–de même sid=!est impair : z(X) =a1
0
@X+
! 1
X2
p=1
Qp 1
k=0((2k+ 1)2 !2) (2p+ 1)! X2p+1
!1 A
2. Réciproquement si ! est entier non nul les deux relations qui caractérisent les solutions polynômiales de (E0)sont véri…ées :
8n2[[0; d 2]]; (n+ 2)(n+ 1)an+2 (n2 !2)an= 0 eta! 1= 0 ce sont des polynômes (de degré! )
a! 1est nul
sinn’a pas la parité de !: (n+ 2)(n+ 1)0 (n2 !2)0 = 0 sina la parité de !
(n+ 2)(n+ 1)an+2 (n2 !2)an = (n+ 2)(n+ 1) n2 !2
(n+ 2)(n+ 1)an (n2 !2)an
= 0
En prenanta06= 0, on a bien une solution polynômiale non nul
il existe des solutions polynômiale non nul ssi!2N
Dans ce cas l’ensemble des solutions polynômiales est un espace vectoriel de dimension 1 alors que l’ensemble des solutions de (E0)sur ] 1;1[est un espace vectoriel de dimension2 (1 X2 n’a pas de racine sur] 1;1[et les coe¢ cients sont continus).
Si ! =2N , toutes les solutions sont non polynômiales.
Pour tout! >0il existe des solutions non polynômiales de(E0) 3. Des solutions polynômiales de(E0)on déduit des solutions de(E):
Si ! = 2m est pair : y0 : x > 1 +
!=2X
p=1
Qp 1
k=0(4k2 !2) (2p)!
!
(sin(x))2p est une solution paire de (E) , donc proportionnelle àf0 = cos(!x)(I.3):.De plus les deux fonctions valent 1en0et sont donc égales.
8x2] =2; =2[ cos(2mx) = 1 + Xm p=1
Qp 1
k=0(4k2 4m2)
(2p)! sin2p(x)
!
SoitPmla fonction polynômiale:X 7!1 + Xm p=1
Qp 1
k=04(k2 m2) (2p)! X2p
!
. On véri…e :
–deg(Pm) = 2mcar 4m (2m)!
mY1 k=0
(k2 m2)6= 0
–Les deux fonctions dé…nie surR: x >cos(2mx)et x > Pm(sin(x))sont continues surR; périodique et elles sont égales sur] =2; =2[. Par passage à la limite, elles sont égales sur [ =2; =2]donc aussi surRpar période.
On peut simpli…er le polynôme car :
pY1 k=0
(4k2 4m2) = ( 4)p
pY1 k=0
(m+k)
pY1 k=0
(m k) = ( 4)p m!
(m p)!
(m+p 1)!
(m 1)!
= ( 4)pm(m+p 1)!
(m p)!
Pm(X) = 1 + Xm p=1
( 4)pm(m+p 1)!
(2p)!(m p)! X2p
Si ! = 2m+ 1: y1 :x7!sin(x) +
+mX
p=1
Qp 1
k=0((2k+ 1)2 !2)
(2p+ 1)! sin2p+1(x)
!
est une solution impaire de (E) , donc proportionnelle à f1 = 1
! sin(!x)(I.3): .De plus les dérivées des deux fonctions valent1 en0, elles sont égales.
8x2] =2; =2[ sin((2m+ 1)x)
2m+ 1 = sinx+ Xm p=1
Qp 1
k=0((2k+ 1)2 (2m+ 1)2))
(2p+ 1)! (sinx)2p+1
!
SoitQmla fonction polynômiale : :X7!(2m+ 1)X+ X+m p=1
2m+ 1 (2p+ 1)!
pY1 k=0
((2k+ 1)2 (2m+ 1)2)X2p+1
! :
–deg(Qm) = 2m+ 1car 2m+ 1 (2m+ 1)!
mY1 k=0
((2k+ 1)2 (2m+ 1)2))6= 0.
–Les fonctions dé…nie sur R : x > sin ((2m+)x) et x > Qm(sin(x)) sont continues, d’antipériodique et sont égales sur ] =2; =2[ : Par continuité elles sont égales sur [- =2; =2] puis en utilisant leur -antipériodicité, elles sont égales surR.
On a aussi une expression factorielle :
Qm(X) = (2m+ 1)X+ X+m p=1
(2m+ 1) ( 4)p(m+p)!
(2p+ 1)!(m p)! X2p+1
4. compléments à étudier après le cours sur les séries entières : : si on cherche un développement en série entière z(X) =
+1
X
n=0
anXn avec un rayon de convergence strictement positif , les calculs sont du type précédent et donne :
zvéri…e (E0) ()
+1
X
n=0
(n+ 2)(n+ 1)an+2+ (!2 n2)an Xn= 0
d’où la même relation de récurrence
8n2N; an+2= n2 !2 (n+ 2)(n+ 1)an
d’où le calcul desan selon la parité den: z(x) = a0 1 +
+1
X
p=1
Qp 1
k=0(4k2 !2) (2p)!
! X2p
!
+a1 X+
+1
X
p=1
Qp 1
k=0((2k+ 1)2 !2) (2p+ 1)!
! X2p+1
!
= a0u0+a1u1
la fonctionu0étant un polynôme ssi le produit est nul à partir d’un certain rang : 9p: != 2p. idem pour u1 . Dans le cas polynômiale la série entière est de rayon+1:
si les fonctions u0 et u1 ne sont pas des polynômes la Règle de D’Alembert donne pour ces deux séries un rayon de convergence1 :
lim an+2 an
X2 =X2
On a donc bien des solutions sur] 1;1[, et la dimension des sous espaces vectoriels montre que toutes les solutions sont obtenues.
5. En se ramenant aux solutions paires et impaires de (E)on obtient pour x2] =2; =2[
cos(!x) = 1 +
+1
X
p=1
Qp 1
k=0(4k2 !2) (2p)!
!
(sin(x))2p
sin(!x)
! = sinx+
+1
X
p=1
Qp 1
k=0((2k+ 1)2 !2))
(2p+ 1)! (sinx)2p+1
Le problème de l’étude en 1des séries entières , donc du prolongement des relations précédentes à Rn’était pas posé.