2´
EQUATIONS DIFF´
ERENTIELLES LIN´
EAIRES
Lorsque Aest diagonalisable, avec P DP −1=A, on a donc exp(A) = Pexp(D)P−1,
cette derni`ere ´etant ´evidente `a calculer. On peut montrer que lorsque les matrices
Aet Bcommutent, on a bien
exp(A+B) = exp(A) exp(B)
(et que c’est faux en g´en´eral). En particulier, si A=D+No`u Dest diagonale,
Nest nilpotente et Det Ncommutent, alors exp(A) = exp(D) exp(N), ces deux
derni`eres ´etant ´evidentes `a calculer. Cela montre ´egalement que exp(A) est toujours
inversible, d’inverse exp(−A).
La d´eriv´ee de la fonction t7→ exp(tA) est t7→ exp(tA)A=Aexp(tA). Attention,
si A(t) : R→Mn(R) est une fonction d´erivable, il n’est pas vrai que la d´eriv´ee
de t7→ exp(A(t)) soit t7→ exp(A(t))A0(t) ni A0(t) exp(A(t)). C’est toutefois vrai si
A(t) commute `a A0(t) (en particulier dans le cas o`u A(t) = tA pour une matrice
A∈Mn(R).
3. ´
Equations lin´
eaires
Nous discutons maintenant des syst`emes d’un nombre fini d’´equations diff´eren-
tielles dites lin´eaires d´efinies sur un intervalle Ide R.
Nous supposerons pour l’instant que ce syst`eme s’´ecrit
(3.1) x0=ax +v
o`u x:I→Eest d´erivable et v:I→Eet a:I→ L(E) sont continues. Nous
dirons qu’une telle ´equation diff´erentielle est sous forme normale.
3.1. Remarque. Si E=Rn, et qu’on interprˆete l’´equation diff´erentielle sous forme
normale comme un syst`eme, il aura autant d’´equations que de fonctions inconnues.
3.2. Remarque. Si aet bsont d´erivables (resp. C1), alors xest automatiquement
deux fois d´erivable (resp. C2).
3.3. Th´eor`eme. ´
Etant donn´e t0∈Iet y0∈E, l’´equation diff´erentielle (3.1)admet
une unique solution x:I→Etelle que x(t0) = y0.
Soit une ´equation lin´eaire homog`ene
(3.2) x0=ax.
Ses solutions forment de mani`ere ´evidente un espace vectoriel.
3.4. Corollaire. L’application de Evers l’espace vectoriel des solutions de (3.2)
envoyant y0sur l’unique solution de (3.2)qui vaut y0en t0est lin´eaire et est un
isomorphisme. En particulier, la dimension de Eet celle de cet espace de solutions
sont ´egales.
´
Etant donn´e une solution x0(quelconque) de l’´equation totale (3.1), toutes ses
solutions sont alors exactement les fonctions xde la forme x=xh+x0o`u et xhest
dans l’espace vectoriel solution de l’´equation homog`ene (3.2).
La structure de l’espace des solutions ´etant ´etablie, on s’int´eresse maintenant `a
des m´ethodes de r´esolutions explicites.