Équations différentielles : pack de révision

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

Nouveaux exercicesRetour au cours

Dans la fenêtre d’impression, choisissez « Enregistrer au format PDF » pour garder une copie sur votre appareil.

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)32Ta​150 °C

Une pièce d’acier forgé à 480 °C refroidit dans un atelier à 23 °C. Au bout de 32 min, sa température est de 150 °C. Elle suit la loi de refroidissement de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Trouvez la constante k en min⁻¹.

T0 = 480 °CTa = 23 °CT(32) = 150 °C
k = min⁻¹
2.Équations différentiellesDifficile
xy12(1, 5)y(2) = ?

Résolvez le problème de Cauchy y′ + y/x = 1 pour x > 0, avec y(1) = 5. Trouvez y(2).

y′ + y/x = 1y(1) = 5
y(2) =
3.IntégralesMoyen
xy3y = √(2x)

La région sous y = √(2x) de x = 0 à x = 3 tourne autour de l’axe des x. Trouvez le volume V du solide (un paraboloïde).

y = √(2x)0 ≤ x ≤ 3
V =
4.IntégralesDifficile
xyy = x2​y = 3x

Calcule l'aire A du domaine délimité par y = x2 et y = 3x.

y = x2y = 3x
A =
5.DérivéesMoyen
xyx = 1

Soit f(x) = ln(2x2 + 4). Calcule f′(1).

f(x) = ln(2x2 + 4)x = 1
f′(1) =
6.DérivéesDifficile
xyx = 3

La tangente à f(x) = x2 + 4x + 4 en x = 3 coupe l'axe des y en y = b. Trouve b.

f(x) = x2 + 4x + 4x = 3
b =
7.Méthodes numériquesMoyen
xy00,51

Approchez ∫01 1/(1 + x³) dx par la méthode des trapèzes avec n = 2 bandes. Donnez T.

f(x) = 1/(1 + x³)[a, b] = [0, 1]n = 2
T =
8.Méthodes numériquesDifficile
00,20,40,623ty(0, 2)

Utilisez la méthode d’Euler avec h = 0,2 pour y′ = y − t², y(0) = 2 afin d’estimer y3 ≈ y(0,6).

y′ = y − t²y(0) = 2h = 0,2
y3 =

3Solutions

1.Équations différentielles

Réponse: k = 0,04002 min⁻¹

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.

Rapport des écarts de température

e−32k = 127/457

Résoudre pour k

k = ln(457/127)/32 = 0,04002 min⁻¹

Réponse

k = 0,04002 min⁻¹
2.Équations différentielles

Réponse: y(2) = 3,25

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)′ = x → x1y = 1x2/2 + C

Condition initiale

5 = 1/2 + C → C = 4,5

Évaluer

y(2) = (1·22/2 + 4,5)/21 = 3,25

Réponse

y(2) = 3,25
3.Intégrales

Réponse: V = 28,27

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∫₀3 2x dx

Intégrer

V = π·2·3²/2 = 28,27

Réponse

V = 28,27
4.Intégrales

Réponse: A = 4,5

Intégrales définies : ∫ₐᵇ f(x) dx est l'aire algébrique entre le graphe et l'axe des x de a à b. Trouve une primitive F (avec F′ = f) et calcule F(b) − F(a). Règle des puissances : ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). L'aire entre deux courbes est ∫(haute − basse) dx.

Points d'intersection

x2 = 3x → x = 0, x = 3

Intégrer la haute moins la basse

A = [1,5x2 − 0,3333x3]03 = 4,5

Réponse

A = 4,5
5.Dérivées

Réponse: f′(1) = 0,6667

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) = 4x/(2x2 + 4)

Remplacer

f′(1) = 4/6 = 0,6667

Réponse

f′(1) = 0,6667
6.Dérivées

Réponse: b = −5

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.

Point et pente

f(3) = 25
f′(x) = 2x + 4 → f′(3) = 10

Tangente en x = 0

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 25 − 10·3 = −5

Réponse

b = −5
7.Méthodes numériques

Réponse: T = 0,8194

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.

ixᵢf(xᵢ)poids001110,50,8888892210,51

Nœuds et valeurs

h = 0,5
Σ wᵢfᵢ = 1 + 2·0,888889 + 0,5 = 3,277778

Méthode des trapèzes

T = (0,5/2)·3,277778 = 0,8194

Réponse

T = 0,8194

Cette intégrale n’a pas de primitive élémentaire, ce qui est exactement le cas où une méthode numérique est nécessaire.

8.Méthodes numériques

Réponse: y3 = 3,414

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.

ntₙyₙf(tₙ, yₙ)yₙ₊₁00222,410,22,42,362,87220,42,8722,7123,4144

Pas d’Euler

y₁ = 2 + 0,2·(2) = 2,4
y₂ = 2,4 + 0,2·(2,36) = 2,872
y₃ = 2,872 + 0,2·(2,712) = 3,4144
00,20,40,623ty

Graphique

y3 = 3,414

Réponse

y3 = 3,414

La valeur exacte est y(0,6) = 3,56.

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations