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) = 2y(1) = ?

Résolvez y″ + 8y′ + 16y = 0 avec y(0) = 2 et y′(0) = -1. Trouvez y(1).

y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 2y′(0) = -1
y(1) =
2.Équations différentiellesDifficile
tyK = 2y(1) = ?

Un système obéit à y″ + y′ + 25,25y = 50,5 pour t ≥ 0, à partir du repos : y(0) = 0, y′(0) = 0. Trouvez y(1) ; angles en radians.

y″ + y′ + 25,25y = 50,5y(0) = 0y′(0) = 0
y(1) =
3.IntégralesMoyen
xyπ/2y = x·cos x

Calculez I = ∫₀π/2 x·cos x dx (x en radians).

∫₀π/2 x·cos x dx
I =
4.IntégralesDifficile
xyy = 2x2​y = 2x

Calcule l'aire A du domaine délimité par y = 2x2 et y = 2x.

y = 2x2y = 2x
A =
5.DérivéesMoyen
xyx = 2

Soit f(x) = ln(3x2 + 2). Calcule f′(2).

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

La tangente à f(x) = 3x2 + 3x + 5 en x = 1 coupe l'axe des y en y = b. Trouve b.

f(x) = 3x2 + 3x + 5x = 1
b =
7.Méthodes numériquesMoyen
xy00,250,50,751

Approchez ∫01 1/(1 + x³) dx par la méthode des trapèzes avec n = 4 bandes. Donnez T.

f(x) = 1/(1 + x³)[a, b] = [0, 1]n = 4
T =
8.Méthodes numériquesDifficile
00,512468ty(0, 3)

Utilisez la méthode d’Euler avec h = 0,2 pour y′ = y − t², y(0) = 3 afin d’estimer y5 ≈ y(1).

y′ = y − t²y(0) = 3h = 0,2
y5 =

3Solutions

1.Équations différentielles

Réponse: y(1) = 0,1648

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.

Racine double

(r + 4)² = 0 → r = −4

Constantes

A = y(0) = 2
y′(0) = B − 4A → B = -1 + 8 = 7

Évaluer

y(1) = (2 + 7·1)·e−4 = 0,1648

Réponse

y(1) = 0,1648
2.Équations différentielles

Réponse: y(1) = 1,772

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.

Valeur stationnaire et racines

yss = 2, r = −0,5 ± 5j

Constantes à partir des valeurs initiales

y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −0,5A + 5B = 0 → B = −0,2

Évaluer

y(1) = 2·(1 − e−0,5(cos 5 + 0,1·sin 5)) = 1,772

Réponse

y(1) = 1,772
3.Intégrales

Réponse: I = 0,5708

Intégration par parties : ∫u·dv = u·v − ∫v·du, issue de la règle du produit. Choisissez pour u le facteur qui se simplifie quand on le dérive (une puissance de x, ou ln x), et pour dv le facteur que vous savez intégrer (eˣ, sin x, cos x, ou x lorsque u = ln x). Pour une intégrale définie, évaluez u·v aux deux bornes : ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Un facteur x² demande deux étapes.

Choisir u et dv

u = x, du = dx; dv = cos x dx, v = sin x

Primitive

∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x

Limites

(π/2·sin π/2 + cos π/2) − (0 + 1) = 0,5708

Réponse

I = 0,5708
4.Intégrales

Réponse: A = 0,3333

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

2x2 = 2x → x = 0, x = 1

Intégrer la haute moins la basse

A = [x2 − 0,6667x3]01 = 0,3333

Réponse

A = 0,3333
5.Dérivées

Réponse: f′(2) = 0,8571

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) = 6x/(3x2 + 2)

Remplacer

f′(2) = 12/14 = 0,8571

Réponse

f′(2) = 0,8571
6.Dérivées

Réponse: b = 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.

Point et pente

f(1) = 11
f′(x) = 6x + 3 → f′(1) = 9

Tangente en x = 0

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 11 − 9·1 = 2

Réponse

b = 2
7.Méthodes numériques

Réponse: T = 0,8317

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)poids001110,250,984615220,50,888889230,750,7032972410,51

Nœuds et valeurs

h = 0,25
Σ wᵢfᵢ = 1 + 2·0,984615 + 2·0,888889 + 2·0,703297 + 0,5 = 6,653602

Méthode des trapèzes

T = (0,25/2)·6,653602 = 0,8317

Réponse

T = 0,8317

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

8.Méthodes numériques

Réponse: y5 = 7,191

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₊₁00333,610,23,63,564,31220,44,3124,1525,142430,65,14244,78246,0988840,86,098885,458887,190656

Pas d’Euler

y₁ = 3 + 0,2·(3) = 3,6
y₂ = 3,6 + 0,2·(3,56) = 4,312
y₃ = 4,312 + 0,2·(4,152) = 5,1424
y₄ = 5,1424 + 0,2·(4,7824) = 6,09888
y₅ = 6,09888 + 0,2·(5,45888) = 7,190656
00,512468ty

Graphique

y5 = 7,191

Réponse

y5 = 7,191

La valeur exacte est y(1) = 7,718282.

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