[<] Calculs d'exponentielles de matrices [>] Système différentiel d'ordre 1
Soient un -espace vectoriel de dimension et une application continue de vers . On étudie l’équation différentielle
d’inconnue .
Soit est une base de l’espace . Montrer que les fonctions solutions du problème de Cauchy
forment une base de l’espace des solutions de .
Solution
On sait que l’ensemble des solutions de l’équation linéaire est un sous-espace vectoriel de dimension de l’espace . Il suffit donc d’établir que la famille est libre pour affirmer que c’est une base de l’espace .
Soit . Supposons . Cela signifie
Cela vaut en particulier pour et l’on obtient
Par liberté de la famille , il vient . La famille est donc libre, c’est une base de .
Notons qu’un argument plus immédiat serait de rappeler que l’application d’évaluation
est un isomorphisme: il transforme donc une base en une base.
Soit une matrice vérifiant
Exprimer la solution générale de l’équation matricielle
Solution
L’équation étudiée est une équation différentielle linéaire d’ordre 1 à coefficient constant. Sa solution générale peut être exprimée par une exponentielle
avec
Or et l’on peut11 1 La série exponentielle convergence absolument et les séries des termes d’indices pairs et impairs sont assurément convergentes. calculer la somme précédente en séparant les termes d’indices pairs de ceux d’indices impairs. Pour réaliser cette séparation, on raisonne par les sommes partielles22 2 On pourrait aussi parler de sommation par paquets mais le cadre théorique associé n’est pas au programme.. Pour ,
En passant à la limite quand tend vers l’infini, on obtient avec convergence des séries engagées
Ainsi, la solution générale de l’équation étudiée est
Soit un espace vectoriel réel de dimension finie et un projecteur de .
Étant donné , exprimer la solution au problème de Cauchy
Solution
La solution au problème de Cauchy posé s’exprime
avec
Or pour et pour donc
La solution cherchée s’exprime donc
Soit un espace vectoriel réel de dimension finie et une symétrie de .
Déterminer les solutions bornées sur à l’équation différentielle .
Solution
La solution générale de l’équation s’écrit
Or, pour ,
On a donc
Si alors n’est pas bornée au voisinage de .
Si alors n’est pas bornée au voisinage de .
Pour que soit bornée, il faut et donc .
Inversement, dans ce cas, est la solution nulle et est donc évidemment bornée.
Soit une matrice annulant un polynôme réel de degré :
Justifier que chaque solution de l’équation prend ses valeurs dans un plan vectoriel.
On munit l’espace des colonnes de sa structure euclidienne canonique.
Soit . Montrer que les assertions suivantes sont équivalentes:
la matrice est antisymétrique;
chaque solution du système différentiel est de norme constante.
Soit . On étudie le système différentiel d’inconnue colonne à valeurs réelles.
Soient une colonne vecteur propre de la matrice et la valeur propre associée. Montrer que la fonction est solution sur du système .
On suppose que la matrice est diagonalisable et l’on introduit une base de formée de colonnes vecteurs propres de et l’on note les valeurs propres associées. Montrer que la solution générale sur de s’exprime
Soient une matrice non inversible de et une solution du système différentiel . Montrer que les valeurs prises par la fonction sont incluses dans un hyperplan affine.
Solution
Puisque la matrice n’est pas inversible, son rang est strictement inférieur à et il existe donc un hyperplan contenant l’image de . Soit une équation de cet hyperplan. Puisque les vecteurs sont des valeurs prises par , celles-ci appartiennent à l’hyperplan précédent et donc
On en déduit
et donc
Soient un endomorphisme d’un espace vectoriel réel de dimension finie et un vecteur de .
Montrer que la solution au problème de Cauchy
prend ses valeurs dans le sous-espace affine .
Solution
La solution étudiée s’exprime
Pour tout ,
En passant à la limite quand tend vers l’infini,
car est une partie fermée puisqu’il s’agit d’un sous-espace vectoriel de dimension finie.
Ainsi, .
Soit .
Expliquer pourquoi l’on peut affirmer que la matrice est trigonalisable.
À quelle condition la matrice est-elle inversible?
On suppose cette condition remplie et l’on introduit une fonction continue et -périodique.
Montrer que l’équation
d’inconnue possède une unique solution -périodique.
Solution
La matrice complexe sont assurément trigonalisable car leur polynôme caractéristique est scindé. On peut donc écrire avec
avec les valeurs propres de comptées avec multiplicité.
On a alors
Cette matrice est inversible si, et seulement si, pour . Cela est vérifiée si, et seulement si, pour .
La solution générale de l’équation est de la forme
avec solution particulière et colonne quelconque.
Analyse: Soit une solution 1-périodique. On a et donc après résolution
ce qui détermine entièrement la solution .
Synthèse: Considérons la fonction définie comme au terme de l’analyse ci-dessus. Elle est solution de l’équation et vérifie .
Considérons alors la fonction donnée par .
On vérifie que est encore solution de (car la fonction est périodique) et puisque , les fonctions et sont égales car solutions d’un même problème de Cauchy.
Finalement, la fonction est périodique.
Soient une matrice de trace strictement positive et une solution sur du système différentiel .
On suppose que la fonction est bornée, montrer qu’il existe une ligne non nulle11 1 La condition peut s’interpréter comme une orthogonalité pour le produit scalaire canonique sur : la solution prend ses valeurs dans l’espace orthogonal au vecteur . telle que pour tout .
Soit une fonction continue de vers -périodique avec .
Montrer que l’équation différentielle d’inconnue possède une solution non identiquement nulle pour laquelle il existe tel que
Solution
L’ensemble des solutions de l’équation est un sous-espace vectoriel de dimension finie (égale à ) de l’espace des fonctions de classe de vers . Pour , on considère l’application définie par pour tout réel. On vérifie que est encore solution de l’équation car
L’application apparaît alors comme un endomorphisme du -espace vectoriel de dimension finie non nulle . Cet endomorphisme admet au moins une valeur propre et, pour vecteur propre associé, on dispose d’une solution non identiquement nulle de l’équation vérifiant pour tout .
Soient vérifiant .
En considérant pour , l’application , établir
Solution
est dérivable et vérifie . En effet,
or car et commutent donc
De plus, donc . Puisque cela vaut pour tout ,
et, pour , on obtient la relation demandée.
Soit nilpotente d’indice . Montrer que est une famille libre.
Exprimer
Soit ayant pour unique valeur propre . Montrer que est nilpotente.
Montrer que les solutions du système différentiel sont toutes bornées sur si, et seulement si, est imaginaire pur et .
Soit de polynôme caractéristique
les étant deux à deux distincts. Soit l’endomorphisme de canoniquement associé à . Montrer que
En déduire l’existence d’une base de dans laquelle la matrice de est diagonale par blocs.
Avec les notations de la question précédente. Montrer que les solutions de sont bornées si, et seulement si, les sont imaginaires purs et que est diagonalisable.
Montrer qu’une matrice antisymétrique réelle est diagonalisable.
Solution
Supposons
En multipliant par , on obtient car . Or donc .
On montre de même successivement que ,…, .
On conclut que la famille est libre.
Puisque et commutent, on a
Le polynôme caractéristique de est scindé dans et possède une unique racine , on a donc
En vertu du théorème de Cayley Hamilton
La matrice s’avère donc nilpotente.
Les solutions du système différentiel sont les fonctions
Si est nulle et , il est clair que toutes les solutions sont bornées.
Inversement, supposons les solutions toutes bornées. En choisissant , la solution
est bornée sur et nécessairement .
Notons l’indice de nilpotence de et choisissons . La solution
devant être bornée avec , la fonction
est elle aussi bornée. Or et donc cette solution ne peut pas être bornée si .
On en déduit puis .
Les polynômes sont deux à deux premiers entre eux. Par le théorème de Cayley Hamilton et le lemme de décomposition des noyaux, on obtient
Une base adaptée à cette décomposition fournit une représentation matricielle de diagonale par blocs. Plus précisément, les blocs diagonaux sont de la forme
La matrice est semblable à et l’on peut donc écrire
Les solutions de l’équation correspondent aux solutions de l’équation via .
Les solutions de seront bornées si, et seulement si, celles de le sont. En raisonnant par blocs et en exploitant le résultat du b), on peut affirmer que les solutions de sont bornées sur si, et seulement si, les sont imaginaires purs et les tous nuls (ce qui revient à dire que est diagonalisable).
Supposons antisymétrique réelle. Puisque et commutent
Soit une solution de l’équation . On a
Les solutions sont toutes bornées et donc est diagonalisable à valeurs propres imaginaires pures.
Soient une matrice dont tous les coefficients non diagonaux sont positifs et une colonne dont tous les coefficients sont aussi positifs.
Montrer que la solution sur du problème de Cauchy
est une colonne dont tous les coefficients sont positifs.
(Critère de Routh-Hurwitz)
Soit . On dit que le système différentiel est asymptotiquement stable lorsque toutes ses solutions sont de limites nulles11 1 Autrement dit, lorsque désigne une colonne solution sur de , on vérifie que tend vers quand croît vers . en .
Montrer que le système est asymptotiquement stable si, et seulement si, et .
[<] Calculs d'exponentielles de matrices [>] Système différentiel d'ordre 1
Édité le 29-08-2023
Bootstrap 3 - LaTeXML - Powered by MathJax