Équations différentielles : pack de révision

Formulaires, étapes clés de la méthode pour chaque thème et 8 exercices, avec les corrigés complets à la fin.

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1Formules et méthodes

Équations différentielles

Croissance/décroissance exponentielle
dy/dt = ky → y = y0ekt
Demi-vie
k = ln 2 / t½
Loi de refroidissement de Newton
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Facteur intégrant
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Cuve de mélange
dm/dt = r·c − (r/V)·m

Intégrales

Règle des puissances
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Intégrale définie
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Primitives usuelles
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Aire entre deux courbes
∫ab (f − g) dx

Méthode

  1. Réécrivez l’intégrande comme une somme de termes simples si possible.
  2. Appliquez la règle des puissances : ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), et les primitives usuelles de ex, 1/x, sin et cos.
  3. Utilisez un changement de variable quand une fonction et sa dérivée apparaissent ensemble.
  4. Pour une intégrale définie, calculez F(b) − F(a).

Dérivées

Règle des puissances
(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
Règle du produit
(uv)′ = u′v + uv′
Règle du quotient
(u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
Dérivation en chaîne
f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
Dérivées usuelles
(eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

Méthode

  1. Identifiez la structure : somme, produit, quotient ou composée.
  2. Appliquez la règle des puissances à chaque puissance de x.
  3. Utilisez la règle du produit, du quotient ou de dérivation des fonctions composées si nécessaire.
  4. Simplifiez, et évaluez au point si c’est demandé.

Méthodes numériques

Dichotomie
c = (a + b)/2, width after n steps (b − a)/2ⁿ
Newton–Raphson
xn+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
Interpolation linéaire
y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
Méthode des trapèzes
T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2fn−1 + fₙ], h = (b − a)/n
Méthode de Simpson (n pair)
S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4fn−1 + fₙ]
Majoration de l’erreur des trapèzes
|E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
Euler
yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
Heun
yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + hk₁)
RK4
yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)

Méthode

  1. Pour une racine : vérifiez le changement de signe pour la dichotomie, ou calculez f et f′ pour Newton, et gardez six chiffres ou plus dans un tableau d’itérés.
  2. Pour une valeur de tableau : interpolez linéairement entre les deux points voisins.
  3. Pour une intégrale : trouvez h = (b − a)/n, listez f en chaque nœud, appliquez les poids (1, 2, …, 2, 1 pour les trapèzes ; 1, 4, 2, …, 4, 1 pour Simpson avec n pair) et multipliez par h/2 ou h/3.
  4. Pour une équation différentielle : avance depuis t₀ avec yₙ₊₁ = yₙ + h·f(tₙ, yₙ) (Euler) ou la pente moyenne (Heun), une ligne par pas, jusqu’à atteindre le t demandé.

2Exercices

1.Équations différentiellesMoyen
t (min)T (°C)47Ta​190 °C340 °C

Une pièce d’acier forgé à 440 °C refroidit dans un atelier à 30 °C. Au bout de 47 min, sa température est de 190 °C. Elle suit la loi de refroidissement de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Combien de temps après le début, t, lui faut-il pour atteindre 340 °C ?

T0 = 440 °CTa = 30 °CT(47) = 190 °CT = 340 °C
t = min
2.Équations différentiellesDifficile
xy13(1, 4)y(3) = ?

Résolvez le problème de Cauchy y′ + y/x = 2x2 pour x > 0, avec y(1) = 4. Trouvez y(3).

y′ + y/x = 2x2y(1) = 4
y(3) =
3.IntégralesMoyen
xy1y = √(4x)

La région sous y = √(4x) de x = 0 à x = 1 tourne autour de l’axe des x. Trouvez le volume V du solide (un paraboloïde).

y = √(4x)0 ≤ x ≤ 1
V =
4.IntégralesDifficile
xy2y = 2xy = x²

La région entre la droite y = 2x et la parabole y = x² tourne autour de l’axe des x. Trouvez le volume V du solide.

y = 2xy = x²
V =
5.DérivéesMoyen
xyx = 3

Soit f(x) = ln(x2 + 4). Calcule f′(3).

f(x) = ln(x2 + 4)x = 3
f′(3) =
6.DérivéesDifficile
xy

Soit f(x) = x3 − 4,5x2 + 6x + 1. Trouve l'abscisse x du minimum local.

f(x) = x3 − 4,5x2 + 6x + 1
x =
7.Méthodes numériquesMoyen
t (s)02468v (m/s)71211915

La vitesse d’un véhicule est mesurée toutes les 2 s (tableau). Estimez la distance s parcourue de t = 0 à t = 8 s avec la méthode des trapèzes.

h = 2 sn = 4
s = m
8.Méthodes numériquesDifficile
00,050,10,150,200,10,2ty(0, 0)

Utilisez la méthode de Heun (Euler amélioré) avec h = 0,1 pour y′ = e−ty, y(0) = 0 afin d’estimer y2 ≈ y(0,2).

y′ = e−tyy(0) = 0h = 0,1
y2 =

3Solutions

1.Équations différentielles

Réponse: t = 13,96 min

Équations différentielles du premier ordre : dy/dt = k·y a pour solution y = y₀·ekt (croissance pour k > 0, décroissance pour k < 0) ; une demi-vie T donne k = ln 2/T. La loi de refroidissement de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ), donne T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Une équation linéaire y′ + p(x)·y = q(x) se résout avec le facteur intégrant μ = e∫p dx : (μy)′ = μq, donc μy = ∫μq dx + C.

Constante de refroidissement

k = ln(410/160)/47 = 0,02002 min⁻¹

Temps pour atteindre la valeur visée

t = ln(410/310)/0,02002 = 13,96 min

Réponse

t = 13,96 min
2.Équations différentielles

Réponse: y(3) = 14,67

Équations différentielles du premier ordre : dy/dt = k·y a pour solution y = y₀·ekt (croissance pour k > 0, décroissance pour k < 0) ; une demi-vie T donne k = ln 2/T. La loi de refroidissement de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ), donne T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Une équation linéaire y′ + p(x)·y = q(x) se résout avec le facteur intégrant μ = e∫p dx : (μy)′ = μq, donc μy = ∫μq dx + C.

Facteur intégrant

μ = e∫1/x dx = x1

Intégrer

(x1y)′ = 2x3 → x1y = 2x4/4 + C

Condition initiale

4 = 2/4 + C → C = 3,5

Évaluer

y(3) = (2·34/4 + 3,5)/31 = 14,67

Réponse

y(3) = 14,67
3.Intégrales

Réponse: V = 6,283

Volumes de révolution : la rotation autour de l’axe des x de la région sous y = f(x), de x = a à x = b, engendre un solide dont la section en x est un disque de rayon f(x). La somme des disques donne V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Lorsque la région est comprise entre une courbe extérieure R(x) et une courbe intérieure r(x), chaque tranche est une rondelle : V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Élevez les rayons au carré avant de les soustraire.

Méthode des disques

V = π∫₀1 4x dx

Intégrer

V = π·4·1²/2 = 6,283

Réponse

V = 6,283
4.Intégrales

Réponse: V = 13,4

Volumes de révolution : la rotation autour de l’axe des x de la région sous y = f(x), de x = a à x = b, engendre un solide dont la section en x est un disque de rayon f(x). La somme des disques donne V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Lorsque la région est comprise entre une courbe extérieure R(x) et une courbe intérieure r(x), chaque tranche est une rondelle : V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Élevez les rayons au carré avant de les soustraire.

Points d'intersection

2x = 1x² → x = 0, x = 2

Méthode des rondelles

V = π∫₀2 ((2x)² − (1x²)²) dx

Intégrer

V = π(4·2³/3 − 1·2⁵/5) = π·4,267 = 13,4

Réponse

V = 13,4
5.Dérivées

Réponse: f′(3) = 0,4615

Dérivation : la dérivée f′(x) est la pente du graphe en x. Règle des puissances : (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Règle du produit : (uv)′ = u′v + uv′. Règle de dérivation en chaîne : (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Là où f′(x) = 0, le graphe a une tangente horizontale : un maximum, un minimum ou un point selle.

Dérivation en chaîne du logarithme

f′(x) = 2x/(x2 + 4)

Remplacer

f′(3) = 6/13 = 0,4615

Réponse

f′(3) = 0,4615
6.Dérivées

Réponse: x = 2

Dérivation : la dérivée f′(x) est la pente du graphe en x. Règle des puissances : (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Règle du produit : (uv)′ = u′v + uv′. Règle de dérivation en chaîne : (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Là où f′(x) = 0, le graphe a une tangente horizontale : un maximum, un minimum ou un point selle.

Dérivée

f′(x) = 3x2 − 9x + 6 = 3·(x2 − 3x + 2)

Résoudre f′(x) = 0

x = 1 ou x = 2

Lequel est lequel

f″(x) = 6x − 9 : négative en un maximum, positive en un minimum.

f″(1) = −3, f″(2) = 3
x = 2

Réponse

x = 2
7.Méthodes numériques

Réponse: s = 86 m

Intégration numérique : découpe [a, b] en n bandes de largeur h = (b − a)/n avec les nœuds x₀ … xₙ. Méthode des trapèzes : T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2fn−1 + fₙ]. Méthode de Simpson (n pair) : S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4fn−1 + fₙ]. L’erreur des trapèzes décroît comme h² (majoration (b − a)h²·M/12 avec M = max|f″|), celle de Simpson comme h⁴, donc Simpson est en général bien plus précise pour les mêmes nœuds.

Somme pondérée

7 + 2·12 + 2·11 + 2·9 + 15 = 86

Méthode des trapèzes

s = (2/2)·86 = 86 m

Réponse

s = 86 m
8.Méthodes numériques

Réponse: y2 = 0,1971

Résolution numérique de y′ = f(t, y) : la méthode d’Euler avance selon la pente au début de chaque pas : yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ). La méthode de Heun (Euler amélioré) moyenne la pente au début et à une prédiction d’Euler : k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂). La méthode de Runge–Kutta classique (RK4) combine quatre pentes : yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄). L’erreur globale d’Euler est proportionnelle à h, celle de Heun à h², celle de RK4 à h⁴.

ntₙyₙk₁k₂yₙ₊₁00010,990050,099502510,10,09950250,9900990,9610750,197061

Pas de Heun

y₁ = 0 + (0,1/2)(1 + 0,99005) = 0,0995025
y₂ = 0,0995025 + (0,1/2)(0,990099 + 0,961075) = 0,197061
00,050,10,150,200,10,2ty

Graphique

y2 = 0,1971

Réponse

y2 = 0,1971

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