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) = 3y(1,5) = ?

Résolvez y″ + 8y′ + 16y = 0 avec y(0) = 3 et y′(0) = 0. Trouvez y(1,5).

y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 3y′(0) = 0
y(1.5) =
2.Équations différentiellesDifficile
xy13(1, 3)y(3) = ?

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

y′ + 3y/x = 4x2y(1) = 3
y(3) =
3.IntégralesMoyen
xyπy = x·cos x

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

∫₀π 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 = −1

Soit f(x) = (4x + 3)3. Calcule f′(−1).

f(x) = (4x + 3)3x = −1
f′(−1) =
6.DérivéesDifficile
xy

Soit f(x) = x3 − 12x2 + 36x + 5. Trouve l'abscisse x du minimum local.

f(x) = x3 − 12x2 + 36x + 5
x =
7.Méthodes numériquesMoyen
xy00,751,5

Approchez ∫01,5 e−x² dx par la méthode des trapèzes avec n = 2 bandes. Donnez T.

f(x) = e−x²[a, b] = [0, 1,5]n = 2
T =
8.Méthodes numériquesDifficile
00,10,20,30,400,20,4ty(0, 0)

Utilisez la méthode de Heun (Euler amélioré) avec h = 0,2 pour y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 0 afin d’estimer y2 ≈ y(0,4).

y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0h = 0,2
y2 =

3Solutions

1.Équations différentielles

Réponse: y(1.5) = 0,05205

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) = 3
y′(0) = B − 4A → B = 0 + 12 = 12

Évaluer

y(1,5) = (3 + 12·1,5)·e−6 = 0,05205

Réponse

y(1,5) = 0,05205
2.Équations différentielles

Réponse: y(3) = 18,09

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∫3/x dx = x3

Intégrer

(x3y)′ = 4x5 → x3y = 4x6/6 + C

Condition initiale

3 = 4/6 + C → C = 2,333

Évaluer

y(3) = (4·36/6 + 2,333)/33 = 18,09

Réponse

y(3) = 18,09
3.Intégrales

Réponse: I = −2

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·sin π + cos π) − (0 + 1) = −2

Réponse

I = −2
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′(−1) = 12

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

f′(x) = 3·(4x + 3)2·4

Remplacer

f′(−1) = 3·(−1)2·4 = 12

Réponse

f′(−1) = 12
6.Dérivées

Réponse: x = 6

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 − 24x + 36 = 3·(x2 − 8x + 12)

Résoudre f′(x) = 0

x = 2 ou x = 6

Lequel est lequel

f″(x) = 6x − 24 : négative en un maximum, positive en un minimum.

f″(2) = −12, f″(6) = 12
x = 6

Réponse

x = 6
7.Méthodes numériques

Réponse: T = 0,8419

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)poids001110,750,569783221,50,1053991

Nœuds et valeurs

h = 0,75
Σ wᵢfᵢ = 1 + 2·0,569783 + 0,105399 = 2,244965

Méthode des trapèzes

T = (0,75/2)·2,244965 = 0,8419

Réponse

T = 0,8419

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

8.Méthodes numériques

Réponse: y2 = 0,4245

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₊₁00011,0399890,20399910,20,2039991,0407881,1641170,424489

Pas de Heun

y₁ = 0 + (0,2/2)(1 + 1,039989) = 0,203999
y₂ = 0,203999 + (0,2/2)(1,040788 + 1,164117) = 0,424489
00,10,20,30,400,20,4ty

Graphique

y2 = 0,4245

Réponse

y2 = 0,4245

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