Édition de feuilles d'exercices

[oraux/ex3149] polytechnique, espci PC 2011 Soient \(I\) un intervalle ouvert de \(\mathbf{R}\), \(a\) et \(b\) dans \(\mathscr{C}^0(I,\mathbf{R})\) et \((E)\) l’équation différentielle \(y''+ay'+by=0\).

1. Soit \(f\) une solution non nulle de \((E)\). Montrer que les zéros de \((E)\) sont isolés.

2. Soient \(f\) et \(g\) deux solutions non nulles de \((E)\). On suppose que \(f\) et \(g\) ont un zéro commun. Montrer que \(f\) et \(g\) sont proportionnelles.

3. Soient \(f\) et \(g\) deux solutions linéairement indépendantes de \((E)\). Montrer qu’entre deux zéros consécutifs de \(f\) il y a exactement un zéro de \(g\).

[planches/ex1053] polytechnique, espci PC 2015 Soient \(a\) et \(b\) dans \(\mathscr{C}^1(\mathbf{R},\mathbf{R})\) et \((E)\) l’équation différentielle \(y''+ay'+by=0\). Donner une condition nécessaire et suffisante sur \(a\) et \(b\) pour qu’il existe \(f\) et \(g\) solutions de \((E)\) telles que \(fg=1\).

[planches/ex1060] centrale MP 2015 On considère l’équation différentielle \[(E_1)\ :\quad x''+p(t)x'+q(t)x=0.\]

1. Soient \(u_1\) et \(u_2\) deux solutions de \((E_1)\) telles que \(u_1u_2=1\). On pose \(z_i=\displaystyle{u'_i\over u_i}\). Montrer que les \(z_i\) sont deux solutions opposées d’une équation différentielle non linéaire \((E_2)\).

2. En déduire une condition néessaire et suffisante sur \(p\) et \(q\) pour que \((E_1)\) admette deux solutions \(u_1\) et \(u_2\) telles que \(u_1u_2=1\).

3. Résoudre \((1+\mathop{\mathchoice{\hbox{cos}}{\hbox{cos}}{\mathrm{cos}}{\mathrm{cos}}}\nolimits(4t))x''-2\mathop{\mathchoice{\hbox{sin}}{\hbox{sin}}{\mathrm{sin}}{\mathrm{sin}}}\nolimits(4t)x'-8x=0\).

[planches/ex4988] mines MP 2019 Soit \(q\) une fonction continue de \([0,1]\) dans \(\mathbf{R}\), \(y\) une fonction de classe \(\mathscr{C}^2\) de \([0,1]\) dans \(\mathbf{R}\), non identiquement nulle, telle que \(y''+qy=0\). Montrer que l’ensemble des zéros de \(y\) est fini.

[planches/ex1038] ens MP 2014 Soient \(k\in\mathbf{N}\) et l’équation différentielle \((1-t^2)x''-2tx'+k(k+1)x=0\).

1. Montrer que cette équation admet une solution \(x_k\) non nulle, sur \(\mathbf{R}\).

2. Montrer que toute solution de classe \(\mathscr{C}^2\) sur \([-1,1]\) est proportionnelle à \(x_k\).

[planches/ex3378] polytechnique, espci PC 2018 Soient \(a\) et \(b\) dans \(\mathscr{C}^0(\mathbf{R},\mathbf{R})\) et \((E)\) l’équation différentielle \(y''+ay'+by=0\). Montrer qu’il existe deux solutions \(f\), \(g\) de \(E\) vérifiant \(fg=1\) si et seulement si \(b\) est de classe \(\mathscr{C}^1\), \(b\leqslant 0\) et \(b'=-2ab\).

[equadiff/ex0093] Soient \(a(t)\) et \(b(t)\) deux fonctions continues sur \(I\) et \[(E)\quad x''+a(t)x'+b(t)x=0\,.\] Montrer que, si \(u(t)\) est une solution non identiquement nulle de \((E)\), le nombre de zéros de \(u\) sur tout segment inclus dans \(I\) est fini.

Indication : on montrera que les zéros de \(u\) sont isolés.

[concours/ex2465] ens lyon M 1995 Soient \(f\) et \(g\) deux applications continues et bornées de \(\mathbf{R}\) dans \(\mathbf{R}\). On considère l’équation différentielle \((E)\) : \(x''+f(t)x'+g(t)x=0\) et les conditions initiales \((CI)\) : \(x(0)=\alpha\), \(x'(0)=\beta\).

1. Montrer qu’il existe une unique fonction \(u\) définie sur \(\mathbf{R}\) vérifiant \((E)\) et \((CI)\).

   Montrer que l’espace \(\mathscr{S}\) des solutions de \((E)\) définies sur \(\mathbf{R}\) est de dimension \(2\).

2. Soient \(x_1\) et \(x_2\) dans \(\mathscr{S}\). On pose \(w(t)=x_1(t)x'_2(t)-x_2(t)x'_1(t)\). Montrer que \(w\) est la fonction nulle ou ne s’annule jamais.

3. Soit \((x_1,x_2)\) une base de \(\mathscr{S}\) \(t_1<t_2\) deux zéros consécutifs de \(x_1\). Montrer qu’il existe un unique zéro de \(x_2\) sur \(\left]t_1,t_2\right[\).

4. On suppose \(f=0\) et \(g\leqslant 0\). Montrer qu’un élément de \(\mathscr{S}\) s’annule au plus une fois.

[planches/ex4013] centrale PC 2018 (avec Python)

Soit \((E)\) : \(x''(t)+p(t)x'(t)+q(t)x(t)=0\).

1. On prend \(p(t)=\displaystyle{t\over1+t^2}\) et \(q(t)=\displaystyle{-1\over1+t^2}\). Ainsi \((E)\) devient \((1+t^2)x''+tx'-x=0\).

   1. Représenter sur \([0,5]\) les solutions \((f,g)\) de \((E)\) vérifiant \((f(0),f'(0))=(1,0)\) et \((g(0),g'(0))=(0,1)\).

   2. En déduire une solution évidente.

   3. Montrer que \(g\) est développable en série entière au voisinage de 0.

      On a \(g(t)=\displaystyle\sum\limits_{n=0}^{+\infty}c_nt^{2n}\). Trouver une relation de récurrence entre les \(c_n\) et en déduire \(g\).

   4. Montrer que \((E)\) possède deux solutions inverses l’une de l’autre.

2. On suppose maintenant que \((E)\) admet deux solutions \(u\) et \(v\) avec \(v=1/u\). Exprimer \(p\) et \(q\) en fonction de \(u\). En déduire une relation entre \(p\) et \(q\).

[oraux/ex4921] ens paris MP 2012 Soit \(f \in{\cal C}^0(\mathbf{R}^+ ,\mathbf{R})\) telle que \(1-f\) soit intégrable. Montrer que pour tout \((\alpha_1,\alpha_2)\in \mathbf{C}^2\), il existe une solution \(x\) de l’équation différentielle \(x''+f(t)\,x=0\) telle que la fonction \(t \mapsto x(t)-\alpha_1 e^{it}-\alpha_2 e^{-it}\) ait une limite nulle en \(+\infty\).

[concours/ex2124] ccp, tpe, int, ivp MP 1999 Soient \(f\) et \(g\) solutions réelles non nulles de \(y''+a(x)y'+b(x)y=0\), \(a\) et \(b\) étant des fonctions réelles continues. Montrer qu’entre deux zéros de \(f\) il y a exactement un zéro de \(g\).

[oraux/ex3103] mines PC 2010 Soit \(\varphi\in\mathscr{C}^1(\mathbf{R}_+,\mathbf{R}_+^*)\) strictement croissante. Montrer que toute solution de l’équation différentielle \((E)\) : \(y''+\varphi y=0\) est bornée sur \(\mathbf{R}\).

[concours/ex0100] polytechnique MP 1996 Soit \(I\) un intervalle de \(\mathbf{R}\) et \(A\) (resp. \(B\)) une application \(C^1\) (resp. \(C^0\)) de \(I\) dans \(\mathbf{R}\). Donner une condition nécessaire et suffisante pour que l’équation différentielle \(y''+A(x)y'+B(x)y=0\) admette deux solutions \(y_1\) et \(y_2\) telles que \(y_2=xy_1\).

Résoudre \(y''+2xy'+(1+x^2)y=xe^{-x^2/2}\).

[concours/ex2908] centrale M 1994 Soient \(I\) un intervalle réel, \(p\) et \(q\) des applications continues définies sur \(I\) et à valeurs réelles. Soit \((E)\) l’équation différentielle : \(y''+py'+qy=0\). Trouver une condition portant sur les fonctions \(p\) et \(q\) pour que \((E)\) admette sur \(I\) deux solutions \(u\) et \(v\) non nulles telles que pour tout \(x\), on ait : \(v(x)=xu(x)\).

Application : résoudre, sur \(\left]0,+\infty\right[\), puis sur \(\left[0,+\infty\right[\), l’équation : \[x^2y''+x(1-2x)y'+\left(x^2-x-{1\over4}\right)y=x^{5/2}.\]

[planches/ex3693] mines PSI 2018

1. Soit \(y:[a,b]\rightarrow\mathbf{R}\) de classe \(\mathscr{C}^1\), \(\varphi:[a,b]\rightarrow\mathbf{R}_+\) continue et \(c\in\mathbf{R}\) tels que \(\forall x\in[a,b]\), \(y(x)\leqslant c+\displaystyle\int_a^x\varphi(t)y(t)\,dt\).

   Montrer que, pour tout \(x\in[a,b]\), \(y(x)\leqslant c\mathop{\mathchoice{\hbox{exp}}{\hbox{exp}}{\mathrm{exp}}{\mathrm{exp}}}\nolimits\left(\displaystyle\int_a^x\varphi(t)\,dt\right)\).

2. Soit \(q\) une fonction de classe \(\mathscr{C}^1\) de \(\mathbf{R}_+\) dans \(\mathbf{R}_+^*\), croissante, et \(f\) une solution de l’équation \(f''+qf=0\). Montrer que \(f\) est bornée.

[planches/ex6387] ens lyon PC 2021 Pour \(\varphi_1\) et \(\varphi_2\in\mathscr{C}^2(\mathbf{R},\mathbf{R})\), on pose \(W=\left|\matrix{\varphi_1&\varphi'_1\cr\varphi_2&\varphi'_2}\right|\).

1. Soit \(q\) une fonction continue de \(\mathbf{R}\) dans \(\mathbf{R}\). Soient \(\varphi_1\) et \(\varphi_2\) deux solutions de l’équation différentielle \(y''+qy=0\). Que dire de la fonction \(W\) ?

2. Soient \(q_1\) et \(q_2\) deux fonctions continues de \(\mathbf{R}\) dans \(\mathbf{R}\). Soit \(\varphi_1\) une solution de \(y''+q_1y=0\) et \(\varphi_2\) une solution de \(y''+q_2y=0\). Calculer \(W'\).

3. Soit \(q\) une fonction continue de \(\mathbf{R}\) dans \(\mathbf{R}\). On suppose que \(q\) est minorée par un réel strictement positif \(\alpha\). Montrer que toute solution de l’équation différentielle \(y''+qy=0\) s’annule une infinité de fois.

[concours/ex5307] ens paris MP 2007 Soient \(f:\mathbf{R}_+\rightarrow\mathbf{R}\) de classe \(C^2\) et \(g:\mathbf{R}_+\rightarrow\mathbf{R}_+^*\) strictement croissante telles que \(f''+gf=0\).

1. Montrer que l’ensemble des zéros de \(f\) n’est mas majoré.

2. Montrer que \(f\) est bornée au voisinage de \(+\infty\).

[oraux/ex3050] centrale MP 2009 Soient \(I\) un intervalle de \(\mathbf{R}\), \(a\in\mathscr{C}^1(I,\mathbf{R})\), \(b\in\mathscr{C}^0(I,\mathbf{R})\) et \((H)\) l’équation différentielle \(y''+ay'+by=0\).

1. Donner une condition nécessaire et suffisante sur \(a\) et \(b\) pour qu’il existe deux solutions \(y_1\) et \(y_2\) de \((H)\) telles que \(x_2=xy_1\) et \(y_1\neq0\).

2. Déterminer alors toutes les solutions de \((H)\).

[planches/ex7278] centrale PC 2021

1. Soit \(g\in\mathscr{C}^2(\mathbf{R},\mathbf{R})\) telle que \(g''\leqslant 0\).

   Montrer que, pour tout \((t_0,t)\in\mathbf{R}^2\), \(g(t)\leqslant g(t_0)+(t-t_0)g'(t_0)\).

2. Soit \(a>0\). Soit \(q\) une fonction continue de \(\mathbf{R}\) dans \(\mathbf{R}\) telle que \(\forall t\in\mathbf{R}\), \(q(t)\geqslant a\). Soit \(f\) une solution de l’équation différentielle \(y''+qy=0\). Montrer que l’ensemble des zéros de \(f\) n’est pas majoré.

[planches/ex0925] ens PC 2013 Soient \(f\in\mathscr{C}^0(\mathbf{R},\mathbf{R}_+)\) telle que \(f(x)\rightarrow\ell>0\) quand \(x\rightarrow+\infty\), et \((*)\) : \(y''+fy=0\). Soit \(y:\mathbf{R}\rightarrow\mathbf{R}\) solution de \((*)\) telle que \(y(0)=0\).

1. Que dire si \(y'(0)=0\) ?

2. On suppose \(y'(0)>0\). Montrer qu’il existe \(t>0\) tel que \(y'(t)=0\).

3. Montrer que \(y\) a une infinité de zéros sur \(\mathbf{R}_+\).