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

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

y″ + 2y′ + y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(2) =
2.Équations différentiellesDifficile
xy12(1, 5)y(2) = ?

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

y′ + y/x = 2y(1) = 5
y(2) =
3.IntégralesMoyen
xy01

Calcule I = ∫01 ex dx.

f(x) = ex[0, 1]
I =
4.IntégralesDifficile
xy2y = 4xy = 2x²

La région entre la droite y = 4x et la parabole y = 2x² tourne autour de l’axe des x. Trouvez le volume V du solide.

y = 4xy = 2x²
V =
5.DérivéesMoyen
xyx = 0,5

Soit f(x) = x3·e−0,5x. Calcule f′(0,5).

f(x) = x3·e−0,5xx = 0,5
f′(0.5) =
6.DérivéesDifficile
xyx = 2

La tangente à f(x) = 2x2 + 3x − 4 en x = 2 coupe l'axe des y en y = b. Trouve b.

f(x) = 2x2 + 3x − 4x = 2
b =
7.Méthodes numériquesMoyen
xy11,52

Approchez ∫12 1/x dx par la méthode de Simpson, n = 2, et comparez avec la valeur exacte. Trouvez l’erreur absolue |E| = |S − I|.

f(x) = 1/x[a, b] = [1, 2]n = 2
|E| =
8.Méthodes numériquesDifficile
01200,51ty(0, 1)

Résolvez y′ = −2ty, y(0) = 1 avec la méthode d’Euler et le pas h = 0,5 jusqu’à t = 2,5. La solution exacte est y = y₀e−t². Trouvez l’erreur globale |E| = |y(2,5) − y5|.

y′ = −2tyy(0) = 1h = 0,5
|E| =

3Solutions

1.Équations différentielles

Réponse: y(2) = 2,03

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 + 1)² = 0 → r = −1

Constantes

A = y(0) = 5
y′(0) = B − 1A → B = 0 + 5 = 5

Évaluer

y(2) = (5 + 5·2)·e−2 = 2,03

Réponse

y(2) = 2,03
2.Équations différentielles

Réponse: y(2) = 4

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)′ = 2x → x1y = 2x2/2 + C

Condition initiale

5 = 2/2 + C → C = 4

Évaluer

y(2) = (2·22/2 + 4)/21 = 4

Réponse

y(2) = 4
3.Intégrales

Réponse: I = 1,718

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.

Primitive

F(x) = ex/1

Évaluer aux bornes

I = (e1 − 1)/1 = (2,718 − 1)/1 = 1,718

Réponse

I = 1,718
4.Intégrales

Réponse: V = 53,62

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

4x = 2x² → x = 0, x = 2

Méthode des rondelles

V = π∫₀2 ((4x)² − (2x²)²) dx

Intégrer

V = π(16·2³/3 − 4·2⁵/5) = π·17,07 = 53,62

Réponse

V = 53,62
5.Dérivées

Réponse: f′(0.5) = 0,5354

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.

Règle du produit

f′(x) = u′v + uv′ = e−0,5x·(3x2 + (−0,5)·x3)

Remplacer

f′(0,5) = 0,7788·(0,75 + (−0,0625)) = 0,5354

Réponse

f′(0,5) = 0,5354
6.Dérivées

Réponse: b = −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.

Point et pente

f(2) = 10
f′(x) = 4x + 3 → f′(2) = 11

Tangente en x = 0

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 10 − 11·2 = −12

Réponse

b = −12
7.Méthodes numériques

Réponse: |E| = 0,001297

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.

Valeur exacte

I = 0,693147

Méthode de Simpson

S = (0,5/3)·(1 + 4·0,666667 + 0,5) = 0,694444

Erreur

|E| = |0,694444 − 0,693147| = 0,001297

Réponse

|E| = 0,001297

Erreur relative : 0,1872 %.

8.Méthodes numériques

Réponse: |E| = 0,00193

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₊₁0010110,51−10,5210,5−1031,500042000

Pas d’Euler

y5 = 0

Valeur exacte

y(2,5) = 0,00193045

Erreur globale

|E| = |0,00193045 − 0| = 0,00193
01200,51ty

Graphique

Réponse

|E| = 0,00193

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

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations