Soit a\in C^0(I) où I est un intervalle ouvert, non vide. On pose
(E)\quad\quad y' (x) + a(x) y(x) =0.
Les solutions réelles de (E) sont alors données par
S=\{x\mapsto c e^{-A(x)}, \text{ avec } c\in \mathbb{R} \}
et où A est une primitive de a sur I.
Pour le démontrer, on prend y une solution de (E) et on pose g(x)= y(x) e^{A(x)}. On a :
g'(x)= y'(x)e^{A(x)} + y(x) a(x)e^{A(x)}= 0.
Donc g est constante sur l'intervalle I. Donc il existe c\in \mathbb{R} tel que g(x)=c. Cela implique que y(x)e^{A(x)}= c et donc y(x) = ce^{-A(x)}. On obtient donc :
S\subset\{x\mapsto c e^{-A(x)}, \text{ avec } c\in \mathbb{R} \}.
On fait maintenant l'inclusion inverse. On pose c\in \mathbb{R} et on pose Y(x):= c e^{-A(x)}.
On a :
Y'(x) + a(x) Y(x) = - a(x)c e^{-A(x)} + a(x) c e^{-A(x)}=0.
Donc Y\in S. Ce qui donne l'autre inclusion et démontre bien le théorème.
Commentaires :
On retrouve souvent sur les copies la preuve suivante :
\begin{align*} \frac{y'(x)}{y(x)}&= -a(x) \\ \ln(y(x)) &= -A(x) +k, \text{ avec } k\in \mathbb{R} \\ y (x)&= e^{-A(x)+ k} = \underbrace{e^{k}}_{cste} e^{-A(x)}. \end{align*}
Et cela conclue en disant : donc l'ensemble des solutions de (E) est donné par \{x\mapsto c e^{-A(x)}, c\in \mathbb{R}\}.
Il y a beaucoup de fautes dans cette preuve malheureusement :
Une preuve rigoureuse de cette approche demande plus de précautions.
On commence par remarquer que
I) S'il existe x_0\in I tel que y(x_0)=0 alors, le problème (E) avec condition initiale y(x_0)=0 ayant une solution unique (par Cauchy-Lipshitz... qui n'est pas du programme du CAPES) et comme y(x)=0 est solution triviale alors c'est l'unique solution. En d'autres termes, si la solution s'annule en un point, elle est nulle.
II) On peut donc supposer que y est de signe constante et ne s'annule pas sur I. Supposons que y(x)>0 sur I. On a alors le reste de la démonstration qui donne qu'il existe c>0 tel que
y(x)= ce^{-A(x)}.
Maintenant si y(x)<0 sur I, On a
\begin{align*} \frac{y'(x)}{y(x)}&= -a(x) \\ \ln(-y(x)) &= -A(x) +k, \text{ avec } k\in \mathbb{R} \\ -y (x)&= e^{-A(x)+ k} = \underbrace{e^{k}}_{cste} e^{-A(x)}. \end{align*}
et donc qu'il existe c>0 tel que y(x)= -ce^{-A(x)}.
III) Si on combine les trois cas on voit que si y est solution alors on a qu'il existe c\in \mathbb{R} tel que
y(x)= ce^{-A(x)}.
(E)\quad\quad y' (x) + a(x) y(x) =0.
Les solutions réelles de (E) sont alors données par
S=\{x\mapsto c e^{-A(x)}, \text{ avec } c\in \mathbb{R} \}
et où A est une primitive de a sur I.
Pour le démontrer, on prend y une solution de (E) et on pose g(x)= y(x) e^{A(x)}. On a :
g'(x)= y'(x)e^{A(x)} + y(x) a(x)e^{A(x)}= 0.
Donc g est constante sur l'intervalle I. Donc il existe c\in \mathbb{R} tel que g(x)=c. Cela implique que y(x)e^{A(x)}= c et donc y(x) = ce^{-A(x)}. On obtient donc :
S\subset\{x\mapsto c e^{-A(x)}, \text{ avec } c\in \mathbb{R} \}.
On fait maintenant l'inclusion inverse. On pose c\in \mathbb{R} et on pose Y(x):= c e^{-A(x)}.
On a :
Y'(x) + a(x) Y(x) = - a(x)c e^{-A(x)} + a(x) c e^{-A(x)}=0.
Donc Y\in S. Ce qui donne l'autre inclusion et démontre bien le théorème.
Commentaires :
- Ici on résout sur \mathbb{R} mais on pourrait résoudre sur \mathbb{C}. Il suffit de remplacer \mathbb{R} par \mathbb{C} partout.
- Ici la constante dépend de I!! Si on résout une équation différentielle sur l'union de deux intervalles disjoints alors on a deux constantes !
On retrouve souvent sur les copies la preuve suivante :
\begin{align*} \frac{y'(x)}{y(x)}&= -a(x) \\ \ln(y(x)) &= -A(x) +k, \text{ avec } k\in \mathbb{R} \\ y (x)&= e^{-A(x)+ k} = \underbrace{e^{k}}_{cste} e^{-A(x)}. \end{align*}
Et cela conclue en disant : donc l'ensemble des solutions de (E) est donné par \{x\mapsto c e^{-A(x)}, c\in \mathbb{R}\}.
Il y a beaucoup de fautes dans cette preuve malheureusement :
- y(x) pourrait s'annuler a priori.
- Il faudrait mettre \ln(|y(x)|) à la deuxième ligne.
- La constante c:=e^{k} >0 et on conclue avec c\in \mathbb{R}.
Une preuve rigoureuse de cette approche demande plus de précautions.
On commence par remarquer que
I) S'il existe x_0\in I tel que y(x_0)=0 alors, le problème (E) avec condition initiale y(x_0)=0 ayant une solution unique (par Cauchy-Lipshitz... qui n'est pas du programme du CAPES) et comme y(x)=0 est solution triviale alors c'est l'unique solution. En d'autres termes, si la solution s'annule en un point, elle est nulle.
II) On peut donc supposer que y est de signe constante et ne s'annule pas sur I. Supposons que y(x)>0 sur I. On a alors le reste de la démonstration qui donne qu'il existe c>0 tel que
y(x)= ce^{-A(x)}.
Maintenant si y(x)<0 sur I, On a
\begin{align*} \frac{y'(x)}{y(x)}&= -a(x) \\ \ln(-y(x)) &= -A(x) +k, \text{ avec } k\in \mathbb{R} \\ -y (x)&= e^{-A(x)+ k} = \underbrace{e^{k}}_{cste} e^{-A(x)}. \end{align*}
et donc qu'il existe c>0 tel que y(x)= -ce^{-A(x)}.
III) Si on combine les trois cas on voit que si y est solution alors on a qu'il existe c\in \mathbb{R} tel que
y(x)= ce^{-A(x)}.
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