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Probleme 1 : L'equation de Bessel

A rendre pour le mardi 10 septembre 2019.

On etudie dans ce probleme quelques proprietes des fonctions de Bessel, obtenues a partir de l'equation dierentielle :

(E)x2y00+xy0+ (x22)y= 0 ouest un parametre reel positif.

Partie I

1. Determiner les solutions surRde l'equation dierentielle :z00+z= 0.

2. Pour deux reelsAetB, determiner un developpement limite a l'ordre 1 en 0 de la fonctionx7!Acos(x)+Bsin(x).

3. Trouver une condition necessaire et susante surAetBreels pour que la fonction

x7!Acos(x) +Bsin(x)px admette une limite nie en 0 +. Cette condition etant satisfaite, donner un equivalent deAcos(x)+Bsin(x)px lorsque xtend vers 0+.

Partie II

On considere dans cette partie l'equation dierentielle : (E12 )x2y00+xy0+x214 y= 0 dont on cherche les solutions sur l'intervalle]0;+1[.

1. Que peut-on dire de l'ensemble des solutions sur ]0;+1[ de l'equation dierentielle (E12

2. Soityune fonction de classeC2sur ]0;+1[ et soitzla fonction denie par :

z:]0;+1[!R x7!x12 y(x):

Demontrer queyest solution de (E12

) si, et seulement si,zest solution d'une equation dierentielle lineaire du second ordre a coecients constants.

3. Resoudre l'equation dierentielle (E12

) sur l'intervalle ]0;+1[.

4. Demontrer que l'ensemble des solutions de (E12

) sur ]0;+1[ qui possedent une limite nie en 0+est un espace vectoriel de dimension 1.

5. Demontrer qu'il existe une unique solution de (E12

) sur ]0;+1[, noteef12 , telle que : f 12 x!0+r2x 1

Partie III

Dans cette partie,est un reel xe,0, et on considere les equations dierentielles : (E)x2y00+xy0+ (x22)y= 0 et (E0)xz00+ (2+ 1)z0+xz= 0:

1. On rappelle la denition de la fonction :

]0;+1[!R x7!R+1

0tx1etdt:

Justier que la fonction est bien denie, que (1) = 1 et que pour toutx >0, (x+ 1) =x(x).

2. On considere une serie entiere

Panxndont le rayon de convergence est noteRet dont la somme sur l'intervalle ]R;R[ est noteeS. On suppose dans cette question queRest strictement positif. (a) Rappeler une denition du rayon de convergenceRde la serie entierePanxn.

(b) On suppose dans cette question queSest solution de l'equation dierentielle (E0) sur ]R;R[. Demontrer

quea1= 0 et :

8n2N;(n+ 1)(n+ 1 + 2)an+1+an1= 0:

3. On suppose que la suite (an)n0satisfait les deux conditions obtenues a la question precedente.

(a) Demontrer que pour toutn2N,a2n+1= 0. (b) Determiner le rayon de convergence de la serie entierePanxn. (c) Demontrer que, pour tout entiern2N, a

2n=(1)n(+ 1)n!22n(n++ 1)a0:

4. Preciser la nature de l'ensemble des solutions sur ]0;+1[ de l'equation dierentielle (E).

5. Soity: ]0;+1[!Rune fonction de classeC2. On denit la fonctionzpar :

z:]0;+1[!R x7!xy(x) Demontrer queyest solution de (E) sur ]0;+1[ si, et seulement si,zest solution de (E0) sur ]0;+1[.

6. En deduire que la fonctionfdenie sur ]0;+1[ par :

8x >0; f(x) =+1X

n=0(1)nn!22n+(n++ 1)x2n+ est solution de (E) sur ]0;+1[.

7. Determiner un equivalent def(x) lorsquextend vers 0+.

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