1. **Énoncé du problème :** Montrer que l'équation aux dérivées partielles (E) :
$$x^2 \frac{\partial^2 u}{\partial x^2} + 2xy \frac{\partial^2 u}{\partial x \partial y} + y^2 \frac{\partial^2 u}{\partial y^2} = 0$$
pourrait se réduire à la forme $$\frac{\partial^2 u}{\partial \eta^2} = 0$$.
2. **Formule et changement de variables :**
On cherche un changement de variables $\xi = \xi(x,y)$ et $\eta = \eta(x,y)$ tel que l'équation s'écrive sous la forme
$$A \frac{\partial^2 u}{\partial \xi^2} + 2B \frac{\partial^2 u}{\partial \xi \partial \eta} + C \frac{\partial^2 u}{\partial \eta^2} = 0$$
avec $A, B, C$ fonctions des dérivées de $\xi$ et $\eta$.
3. **Calcul des coefficients :**
On calcule
$$A = x^2 \left(\frac{\partial \xi}{\partial x}\right)^2 + 2xy \frac{\partial \xi}{\partial x} \frac{\partial \xi}{\partial y} + y^2 \left(\frac{\partial \xi}{\partial y}\right)^2,$$
$$B = x^2 \frac{\partial \xi}{\partial x} \frac{\partial \eta}{\partial x} + xy \left(\frac{\partial \xi}{\partial x} \frac{\partial \eta}{\partial y} + \frac{\partial \xi}{\partial y} \frac{\partial \eta}{\partial x}\right) + y^2 \frac{\partial \xi}{\partial y} \frac{\partial \eta}{\partial y},$$
$$C = x^2 \left(\frac{\partial \eta}{\partial x}\right)^2 + 2xy \frac{\partial \eta}{\partial x} \frac{\partial \eta}{\partial y} + y^2 \left(\frac{\partial \eta}{\partial y}\right)^2.$$
4. **Choix du changement de variables :**
Posons $\alpha = x$ et $\beta = \frac{x}{y}$.
5. **Calcul des dérivées partielles :**
$$\frac{\partial \alpha}{\partial x} = 1, \quad \frac{\partial \alpha}{\partial y} = 0,$$
$$\frac{\partial \beta}{\partial x} = \frac{1}{y}, \quad \frac{\partial \beta}{\partial y} = -\frac{x}{y^2} = -\frac{\beta}{y}.$$
6. **Calcul des coefficients $A, B, C$ pour $\xi = \alpha$, $\eta = \beta$ :**
$$A = x^2 (1)^2 + 2xy (1)(0) + y^2 (0)^2 = x^2,$$
$$B = x^2 (1) \frac{1}{y} + xy \left(1 \cdot \left(-\frac{\beta}{y}\right) + 0 \cdot \frac{1}{y}\right) + y^2 (0) \left(-\frac{\beta}{y}\right) = \frac{x^2}{y} + xy \left(-\frac{\beta}{y}\right) = \frac{x^2}{y} - x y \frac{\beta}{y} = \frac{x^2}{y} - x \beta = 0,$$
car $\beta = \frac{x}{y}$.
$$C = x^2 \left(\frac{1}{y}\right)^2 + 2xy \frac{1}{y} \left(-\frac{\beta}{y}\right) + y^2 \left(-\frac{\beta}{y}\right)^2 = \frac{x^2}{y^2} - 2x y \frac{\beta}{y^2} + y^2 \frac{\beta^2}{y^2} = \frac{x^2}{y^2} - 2x \frac{\beta}{y} + \beta^2 = 0,$$
car $\beta = \frac{x}{y}$.
7. **Conclusion sur la forme de l'équation :**
L'équation devient
$$x^2 \frac{\partial^2 u}{\partial \alpha^2} + 0 + 0 = 0 \implies \frac{\partial^2 u}{\partial \alpha^2} = 0,$$
ce qui est équivalent à
$$\frac{\partial^2 u}{\partial \eta^2} = 0,$$
avec $\eta = \beta$.
8. **Résolution de $\frac{\partial^2 u}{\partial \eta^2} = 0$ :**
L'équation $\frac{\partial^2 u}{\partial \eta^2} = 0$ signifie que $u$ est affine en $\eta$ :
$$u(\alpha, \eta) = A(\alpha) \eta + B(\alpha),$$
avec $A$ et $B$ fonctions de classe $C^2$ en $\alpha$.
9. **Retour aux variables originales :**
On a $\alpha = x$ et $\eta = \frac{x}{y}$, donc
$$u(x,y) = A(x) \frac{x}{y} + B(x).$$
**Réponse finale :**
$$\boxed{u(x,y) = A(x) \frac{x}{y} + B(x), \quad A, B \in C^2(]0,+\infty[)}.$$
Reduction Equation 046142
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