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) = 4y(2) = ?

Résolvez y″ + 4y′ + 3y = 0 avec y(0) = 4 et y′(0) = 6. Trouvez y(2).

y″ + 4y′ + 3y = 0y(0) = 4y′(0) = 6
y(2) =
2.Équations différentiellesDifficile
t (min)m (kg)40 minm = ?

Une cuve contient 1000 L d’eau dans laquelle 20 kg de sel sont dissous. De la saumure contenant 0,1 kg de sel par litre entre à 10 L/min, et la solution bien mélangée sort au même débit. Quelle quantité de sel m la cuve contient-elle au bout de 40 min ?

V = 1000 Lm0 = 20 kgc = 0,1 kg/Lr = 10 L/min
m = kg
3.IntégralesMoyen
xy02

Calcule I = ∫02 e2x dx.

f(x) = e2x[0, 2]
I =
4.IntégralesDifficile
xy3y = 6xy = 2x²

La région entre la droite y = 6x et la parabole y = 2x² tourne autour de l’axe des x. Trouvez le volume V du solide.

y = 6xy = 2x²
V =
5.DérivéesMoyen
xyx = −2

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

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

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

f(x) = 2x2 − xx = −1
b =
7.Méthodes numériquesMoyen
xy00,33330,666711,3331,6672

Approchez ∫02 1/(1 + x³) dx par la méthode des trapèzes avec n = 6 bandes. Donnez T.

f(x) = 1/(1 + x³)[a, b] = [0, 2]n = 6
T =
8.Méthodes numériquesDifficile
00,51−1−0,50ty(0, −1)

Utilisez la méthode de Heun (Euler amélioré) avec h = 0,5 pour y′ = cos t − y, y(0) = −1 afin d’estimer y2 ≈ y(1).

y′ = cos t − yy(0) = −1h = 0,5
y2 =

3Solutions

1.Équations différentielles

Réponse: y(2) = 1,206

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 + 1)(r + 3) = 0 → r = −1, −3

Constantes à partir des valeurs initiales

A + B = 4, −1A − 3B = 6
A = 9, B = −5

Évaluer

y(2) = 9·e−2 + (−5)·e−6 = 1,206

Réponse

y(2) = 1,206
2.Équations différentielles

Réponse: m = 46,37 kg

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.

Mettre en équation

dm/dt = 10·0,1 − (10/1000)·m = 1 − 0,01·m

Résoudre

Le facteur intégrant est ert/V ; la solution tend vers l’équilibre c·V.

m(t) = 100 + (−80)·e−t/100

Remplacer t

m(40) = 100 + (−80)·0,6703 = 46,37 kg

Réponse

m = 46,37 kg
3.Intégrales

Réponse: I = 26,8

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) = e2x/2

Évaluer aux bornes

I = (e4 − 1)/2 = (54,6 − 1)/2 = 26,8

Réponse

I = 26,8
4.Intégrales

Réponse: V = 407,2

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

6x = 2x² → x = 0, x = 3

Méthode des rondelles

V = π∫₀3 ((6x)² − (2x²)²) dx

Intégrer

V = π(36·3³/3 − 4·3⁵/5) = π·129,6 = 407,2

Réponse

V = 407,2
5.Dérivées

Réponse: f′(−2) = −0,8

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 + 2)

Remplacer

f′(−2) = −8/10 = −0,8

Réponse

f′(−2) = −0,8
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) = 3
f′(x) = 4x − 1 → f′(−1) = −5

Tangente en x = 0

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 3 − (−5)·(−1) = −2

Réponse

b = −2
7.Méthodes numériques

Réponse: T = 1,089

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)poids001110,3333330,964286220,6666670,7714292310,5241,3333330,296703251,6666670,1776322620,1111111

Nœuds et valeurs

h = 0,3333
Σ wᵢfᵢ = 1 + 2·0,964286 + 2·0,771429 + 2·0,5 + 2·0,296703 + 2·0,177632 + 0,111111 = 6,531209

Méthode des trapèzes

T = (0,3333/2)·6,531209 = 1,089

Réponse

T = 1,089

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 = 0,0694

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₊₁00−120,877583−0,28060410,5−0,2806041,1581870,2418130,0693957

Pas de Heun

y₁ = −1 + (0,5/2)(2 + 0,877583) = −0,280604
y₂ = −0,280604 + (0,5/2)(1,158187 + 0,241813) = 0,0693957
00,51−1−0,50ty

Graphique

y2 = 0,0694

Réponse

y2 = 0,0694

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