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Systèmes différentiels & stabilité

Analyse · leçon socle (gratuite)

L2L3Maths ingénieur

Systèmes différentiels linéaires — résolution

Idée. Un système différentiel linéaire couple plusieurs fonctions inconnues du temps :

X⃗ ′(t)=A X⃗(t),X⃗=(x(t)y(t)), A∈M2(R).\vec X\,'(t)=A\,\vec X(t),\qquad \vec X=\begin{pmatrix}x(t)\\ y(t)\end{pmatrix},\ A\in\mathcal M_2(\mathbb R).
C'est l'analogue vectoriel de y′=ayy'=ay (dont la solution est y=c eaty=c\,e^{at}). La clé : diagonaliser AA ramène le système couplé à des équations scalaires y′=λyy'=\lambda y découplées — exactement le prolongement de l'exercice X′=AXX'=AX du chapitre Diagonalisation.

A. Du scalaire au système

Toute équation d'ordre 22 se réécrit en système d'ordre 11 : y′′+py′+qy=0y''+py'+qy=0 devient, en posant x1=yx_1=y, x2=y′x_2=y',

X⃗ ′=(01−q−p)X⃗.\vec X\,'=\begin{pmatrix}0&1\\-q&-p\end{pmatrix}\vec X.
Les valeurs propres de cette matrice sont les racines de l'équation caractéristique λ2+pλ+q=0\lambda^2+p\lambda+q=0 — le pont avec le chapitre Équations différentielles.

B. Résolution par diagonalisation (valeurs propres réelles distinctes)

Si AA a deux valeurs propres réelles distinctes λ1,λ2\lambda_1,\lambda_2 de vecteurs propres v⃗1,v⃗2\vec v_1,\vec v_2, la solution générale est

 X⃗(t)=c1 eλ1t v⃗1+c2 eλ2t v⃗2 \boxed{\ \vec X(t)=c_1\,e^{\lambda_1 t}\,\vec v_1+c_2\,e^{\lambda_2 t}\,\vec v_2\ }
Chaque mode propre eλitv⃗ie^{\lambda_i t}\vec v_i évolue le long de sa direction propre.

Exemple. A=(1221)A=\begin{pmatrix}1&2\\2&1\end{pmatrix} : λ=3\lambda=3 (v⃗=(11)\vec v=\binom11) et λ=−1\lambda=-1 (v⃗=(1−1)\vec v=\binom1{-1}), d'où X⃗(t)=c1e3t(11)+c2e−t(1−1)\vec X(t)=c_1e^{3t}\binom11+c_2e^{-t}\binom1{-1}.

C. Valeurs propres complexes (oscillations)

Si λ=a±ib\lambda=a\pm ib (b≠0b\neq0), les exponentielles complexes se recombinent en solutions réelles oscillantes modulées par eate^{at} :

X⃗(t)=eat(c1(cos⁡bt ⋯ )+c2(sin⁡bt ⋯ )).\vec X(t)=e^{at}\big(c_1(\cos bt\ \cdots)+c_2(\sin bt\ \cdots)\big).
Le signe de a=Re⁡λa=\operatorname{Re}\lambda décide : a<0a<0 oscillations amorties, a=0a=0 oscillations entretenues, a>0a>0 divergentes.

Exemple. A=(0−110)A=\begin{pmatrix}0&-1\\1&0\end{pmatrix} : λ=±i\lambda=\pm i, X⃗(t)=c1(cos⁡tsin⁡t)+c2(−sin⁡tcos⁡t)\vec X(t)=c_1\binom{\cos t}{\sin t}+c_2\binom{-\sin t}{\cos t} (rotation pure).

D. Exponentielle de matrice & problème de Cauchy

La solution du problème de Cauchy X⃗ ′=AX⃗\vec X\,'=A\vec X, X⃗(0)=X⃗0\vec X(0)=\vec X_0 est

 X⃗(t)=etA X⃗0 ,etA=P etD P−1 si A=PDP−1.\boxed{\ \vec X(t)=e^{tA}\,\vec X_0\ },\qquad e^{tA}=P\,e^{tD}\,P^{-1}\ \text{si}\ A=PDP^{-1}.
etAe^{tA} est l'unique matrice M(t)M(t) vérifiant M′(t)=A M(t)M'(t)=A\,M(t) et M(0)=IM(0)=I.

Exemple. Pour la rotation ci-dessus, etA=(cos⁡t−sin⁡tsin⁡tcos⁡t)e^{tA}=\begin{pmatrix}\cos t&-\sin t\\ \sin t&\cos t\end{pmatrix}.

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Dans le palier approfondissement (Pro) : Points d'équilibre, classification & stabilité

  • A. Points d'équilibre
  • B. Classification linéaire par les valeurs propres
  • C. Plan trace-déterminant
  • D. Valeur propre double (cas défectueux)
  • E. Systèmes non linéaires & linéarisation

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