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Analyse dynamique des modèles économiques

L’ordre 2 et l’équation caractéristique

Analyse dynamique des modèles économiques
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Analyse dynamique des modèles économiques

Chapitre 6 : L’ordre 2 et l’équation caractéristique

Auteur·rice
Affiliation

Jaouad Madkour

Faculté d’Économie et de Gestion de Tanger

Date de publication

24 septembre 2026

Pourquoi deux retards

Ce que l’ordre 1 ne sait pas faire

L’accélérateur d’investissement

Les entreprises n’investissent pas en fonction du niveau de la demande, mais de sa variation :

I_t = v\,(Y_{t-1}-Y_{t-2})

Cette seule ligne fait apparaître deux retards. Dès qu’un modèle contient une réaction à une variation, il est d’ordre 2.

Et ce que cela apporte

L’ordre 1 en temps continu ne peut pas osciller ; l’ordre 1 en temps discret n’oscille que d’une période sur l’autre — une alternance mécanique, de période exactement 2.

L’ordre 2 apporte des cycles de période quelconque, dans les deux langages. C’est le premier niveau où le temps continu sait produire des oscillations, et c’est pourquoi tous les modèles de cycle économique sont d’ordre 2 au minimum.

Les deux équations

Le face à face

\textbf{Discret :}\quad y_{t+2} = a_1\,y_{t+1} + a_2\,y_t + b

\textbf{Continu :}\quad \ddot y + a_1\,\dot y + a_2\,y = b

Deux conditions initiales sont nécessaires : y_0 et y_1 en discret, y(0) et \dot y(0) en continu.

Attention aux signes

Par tradition, l’équation discrète s’écrit avec les coefficients à droite et l’équation continue avec les coefficients à gauche. Les signes ne se correspondent donc pas terme à terme.

Ce n’est pas une coquetterie : c’est ce qui donne au triangle de stabilité du chapitre 7 sa forme habituelle. Retenez l’écriture, pas la correspondance des signes.

L’équation caractéristique

La même idée dans les deux langages

Chercher une solution exponentielle
On essaie On obtient
Discret y_t = \lambda^{\,t} \lambda^2 = a_1\lambda + a_2
Continu y(t)=\mathrm{e}^{\lambda t} \lambda^2 + a_1\lambda + a_2 = 0

La même idée dans les deux langages (suite)

La dérivation, en discret

On injecte y_t=\lambda^{\,t} dans y_{t+2}=a_1 y_{t+1}+a_2 y_t :

\lambda^{\,t+2} = a_1\lambda^{\,t+1}+a_2\lambda^{\,t}

On divise par \lambda^{\,t} (non nul) :

\boxed{\;\lambda^2 - a_1\lambda - a_2 = 0\;}

La même idée dans les deux langages (suite)

La dérivation, en continu

On injecte y=\mathrm{e}^{\lambda t}, dont les dérivées sont \lambda\,\mathrm{e}^{\lambda t} et \lambda^2\mathrm{e}^{\lambda t} :

\lambda^2\mathrm{e}^{\lambda t}+a_1\lambda\,\mathrm{e}^{\lambda t}+a_2\mathrm{e}^{\lambda t}=0

On divise par \mathrm{e}^{\lambda t} (jamais nul) :

\boxed{\;\lambda^2+a_1\lambda+a_2=0\;}

Le point commun, essentiel

Dans les deux cas, résoudre une équation dynamique d’ordre 2 revient à résoudre un trinôme du second degré.

Toute la difficulté est ramenée à un calcul de discriminant, que vous savez faire depuis le lycée. C’est cette réduction qui rend l’ordre 2 accessible.

Les trois cas

Selon le discriminant

Cas 1 : deux racines réelles distinctes

Discriminant strictement positif
Discret Continu
y_t = C_1\lambda_1^{\,t}+C_2\lambda_2^{\,t} y(t)=C_1\mathrm{e}^{\lambda_1 t}+C_2\mathrm{e}^{\lambda_2 t}
Un exemple discret

y_{t+2}=1{,}25\,y_{t+1}-0{,}36\,y_t. Équation caractéristique : \lambda^2-1{,}25\lambda+0{,}36=0.

\Delta = 1{,}5625-1{,}44=0{,}1225, donc \sqrt{\Delta}=0{,}35 et \lambda = \frac{1{,}25\pm 0{,}35}{2} \quad\Longrightarrow\quad \lambda_1 = 0{,}8, \ \ \lambda_2=0{,}45

y_t = C_1\,0{,}8^{\,t}+C_2\,0{,}45^{\,t}

Cas 1 : deux racines réelles distinctes (suite)

La racine dominante

0{,}45^{\,t} s’écrase bien plus vite que 0{,}8^{\,t}. Au bout de quelques périodes, la trajectoire est entièrement gouvernée par la plus grande racine en module.

C’est un principe général : c’est toujours la racine dominante qui décide du comportement de long terme. On peut souvent négliger les autres.

Cas 2 : racine double

Discriminant nul
Discret Continu
y_t=(C_1+C_2\,t)\,\lambda^{\,t} y(t)=(C_1+C_2\,t)\,\mathrm{e}^{\lambda t}
Pourquoi ce facteur t

Une équation d’ordre 2 a besoin de deux solutions indépendantes pour engendrer toutes les trajectoires. Une seule racine n’en fournit qu’une.

Multiplier par t produit la seconde, et l’on vérifie qu’elle satisfait bien l’équation. La formule est identique dans les deux langages, au remplacement de \lambda^{\,t} par \mathrm{e}^{\lambda t} près.

Cas 2 : racine double (suite)

Un exemple continu

\ddot y + 4\dot y + 4y = 0. Caractéristique : \lambda^2+4\lambda+4=(\lambda+2)^2=0, racine double \lambda=-2.

y(t)=(C_1+C_2\,t)\,\mathrm{e}^{-2t}

Le facteur t croît, mais \mathrm{e}^{-2t} décroît bien plus vite : la trajectoire tend vers zéro, après un éventuel dépassement.

Cas 3 : racines complexes

Discriminant strictement négatif

Les racines s’écrivent \lambda = \alpha \pm i\beta. On les met alors sous forme trigonométrique.

Discret Continu
\lambda = r(\cos\theta \pm i\sin\theta) \lambda = \alpha\pm i\beta
y_t = r^{\,t}\big(C_1\cos\theta t + C_2\sin\theta t\big) y(t)=\mathrm{e}^{\alpha t}\big(C_1\cos\beta t + C_2\sin\beta t\big)
r = \sqrt{\alpha^2+\beta^2} : module \alpha : partie réelle
\theta = \arctan(\beta/\alpha) : argument \beta : pulsation

Cas 3 : racines complexes (suite)

Lire ces deux formules

Chacune est le produit de deux choses :

  • une enveloppe qui grandit ou rétrécit : r^{\,t} ou \mathrm{e}^{\alpha t} ;
  • une oscillation de période fixe : \cos et \sin.

D’où le vocabulaire : r ou \alpha décide de l’amplitude (amortie, entretenue, explosive) ; \theta ou \beta décide de la période du cycle.

Cas 3 : racines complexes (suite 2)

Un exemple discret avec cycle

y_{t+2}=y_{t+1}-0{,}5\,y_t. Caractéristique : \lambda^2-\lambda+0{,}5=0, \Delta=1-2=-1.

\lambda = \frac{1\pm i}{2}=0{,}5\pm 0{,}5\,i

Module : r=\sqrt{0{,}25+0{,}25}=0{,}707. Argument : \theta=\arctan(1)=\pi/4.

y_t = 0{,}707^{\,t}\left(C_1\cos\frac{\pi t}{4}+C_2\sin\frac{\pi t}{4}\right)

Cas 3 : racines complexes (suite 3)

La période du cycle

\text{période} = \frac{2\pi}{\theta} = \frac{2\pi}{\pi/4}=8 \text{ périodes}

Si la période élémentaire est le trimestre, le modèle engendre un cycle de deux ans, dont l’amplitude est divisée par deux tous les deux ans environ (0{,}707^{\,4}=0{,}25).

Voilà comment une équation à deux coefficients produit un cycle économique complet — avec sa durée et son amortissement.

Caler les constantes

Les conditions initiales

Deux inconnues, deux équations
Discret Continu
écrire y_0 et y_1 écrire y(0) et \dot y(0)
système 2\times 2 en C_1,C_2 système 2\times 2 en C_1,C_2

Les conditions initiales (suite)

Sur le premier exemple

y_t = C_1\,0{,}8^{\,t}+C_2\,0{,}45^{\,t}, avec y_0 = 100 et y_1 = 60.

\left\{\begin{aligned} C_1+C_2 &= 100\\ 0{,}8\,C_1+0{,}45\,C_2 &= 60\end{aligned}\right.

De la première : C_2 = 100-C_1. En reportant : 0{,}8\,C_1 + 45 - 0{,}45\,C_1 = 60 \ \Longrightarrow\ 0{,}35\,C_1 = 15 \ \Longrightarrow\ C_1 = 42{,}86

d’où C_2 = 57{,}14 et y_t = 42{,}86\times 0{,}8^{\,t}+57{,}14\times 0{,}45^{\,t}

Les conditions initiales (suite 2)

Un système linéaire, encore

Comme pour l’optimisation à deux variables, l’étape finale est la résolution d’un système 2\times 2.

Avec les systèmes du chapitre 8, ce sera un système n\times n — et l’algèbre linéaire deviendra indispensable.

Ce qu’il faut retenir

Le résumé du chapitre

Cinq points
  1. L’ordre 2 apparaît dès qu’un modèle réagit à une variation — l’accélérateur d’investissement.
  2. Dans les deux langages, on essaie une solution exponentielle et l’on tombe sur un trinôme du second degré.
  3. Trois cas : racines réelles distinctes, racine double avec facteur t, racines complexes.
  4. Racines complexes : enveloppe (r^{\,t} ou \mathrm{e}^{\alpha t}) multipliée par une oscillation de période 2\pi/\theta ou 2\pi/\beta.
  5. Les deux constantes se calent sur les deux conditions initiales, par un système 2\times 2.
La suite

On sait résoudre. Reste à savoir quand cela converge : à l’ordre 2, la condition n’est plus une inégalité simple mais une région du plan des coefficients.

C’est le chapitre 7, et c’est là que le triangle de stabilité apparaît.

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