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
tyy(0) = 5y(2) = ?

Résolvez y″ + 8y′ + 15y = 0 avec y(0) = 5 et y′(0) = 0. Trouvez y(2).

y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(2) =
2.Équations différentiellesDifficile
xy13(1, 4)y(3) = ?

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

y′ + 2y/x = 2x2y(1) = 4
y(3) =
3.IntégralesMoyen
xy2y = √(x)

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

y = √(x)0 ≤ x ≤ 2
V =
4.IntégralesDifficile
xy−33

Calcule l'aire A du domaine entre la parabole y = 9 − x² et l'axe des x.

y = 9 − x²
A =
5.DérivéesMoyen
xyx = 1

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

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

La tangente à f(x) = −x2 − 5x − 2 en x = −1 coupe l'axe des y en y = b. Trouve b.

f(x) = −x2 − 5x − 2x = −1
b =
7.Méthodes numériquesMoyen
xy00,250,50,7511,251,5

Approchez ∫01,5 1/(1 + x³) dx par la méthode de Simpson avec n = 6 bandes. Donnez S.

f(x) = 1/(1 + x³)[a, b] = [0, 1,5]n = 6
S =
8.Méthodes numériquesDifficile
00,10,20,30,4−1,6−1,4−1,2−1ty(0, −1)

Résolvez y′ = y − t², y(0) = −1 avec la méthode d’Euler et le pas h = 0,1 jusqu’à t = 0,4. La solution exacte est y = t² + 2t + 2 + (y₀ − 2)eᵗ. Trouvez l’erreur globale |E| = |y(0,4) − y4|.

y′ = y − t²y(0) = −1h = 0,1
|E| =

3Solutions

1.Équations différentielles

Réponse: y(2) = 0,03064

Équations linéaires du second ordre : pour y″ + b·y′ + c·y = 0, essayez y = ert : on obtient l’équation caractéristique r² + b·r + c = 0. Deux racines réelles r₁ ≠ r₂ donnent y = A·er₁t + B·er₂t (suramorti) ; une racine double r donne y = (A + Bt)·ert (amortissement critique) ; des racines complexes −α ± jω donnent y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (sous-amorti, oscillant). Les valeurs initiales y(0) et y′(0) fixent A et B. Écrite sous la forme y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0, ωn est la pulsation propre et ζ le coefficient d’amortissement : ζ < 1 donne des oscillations. Avec une entrée constante, y″ + by′ + cy = c·K, la solution est la valeur stationnaire K plus la réponse libre.

Racines caractéristiques

(r + 3)(r + 5) = 0 → r = −3, −5

Constantes à partir des valeurs initiales

A + B = 5, −3A − 5B = 0
A = 12,5, B = −7,5

Évaluer

y(2) = 12,5·e−6 + (−7,5)·e−10 = 0,03064

Réponse

y(2) = 0,03064
2.Équations différentielles

Réponse: y(3) = 11,2

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∫2/x dx = x2

Intégrer

(x2y)′ = 2x4 → x2y = 2x5/5 + C

Condition initiale

4 = 2/5 + C → C = 3,6

Évaluer

y(3) = (2·35/5 + 3,6)/32 = 11,2

Réponse

y(3) = 11,2
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∫₀2 x dx

Intégrer

V = π·1·2²/2 = 6,283

Réponse

V = 6,283
4.Intégrales

Réponse: A = 36

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.

Zéros

9 − x² = 0 → x = ±3

Intégrer

A = [9x − x³/3]−33 = 18 − (−18) = 36

Réponse

A = 36
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) = 2x/(x2 + 2)

Remplacer

f′(1) = 2/3 = 0,6667

Réponse

f′(1) = 0,6667
6.Dérivées

Réponse: b = −1

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(−1) = 2
f′(x) = −2x − 5 → f′(−1) = −3

Tangente en x = 0

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 2 − (−3)·(−1) = −1

Réponse

b = −1
7.Méthodes numériques

Réponse: S = 1,009

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)poids001110,250,984615420,50,888889230,750,7032974410,5251,250,338624461,50,2285711

Nœuds et valeurs

h = 0,25
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0,984615 + 2·0,888889 + 4·0,703297 + 2·0,5 + 4·0,338624 + 0,228571 = 12,112495

Méthode de Simpson

S = (0,25/3)·12,112495 = 1,009

Réponse

S = 1,009

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

8.Méthodes numériques

Réponse: |E| = 0,03676

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₊₁00−1−1−1,110,1−1,1−1,11−1,21120,2−1,211−1,251−1,336130,3−1,3361−1,4261−1,47871

Pas d’Euler

y4 = −1,47871

Valeur exacte

y(0,4) = −1,515474

Erreur globale

|E| = |−1,515474 + 1,47871| = 0,03676
00,10,20,30,4−1,6−1,4−1,2−1ty

Graphique

Réponse

|E| = 0,03676

Diviser h par deux divise à peu près par deux l’erreur de la méthode d’Euler.

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