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
t (min)T (°C)7Ta​T = ?

Une tasse de café à 95 °C est laissée dans une pièce à 22 °C. Elle suit la loi de refroidissement de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Avec k = 0,07 min⁻¹, trouvez sa température T au bout de 7 min.

T0 = 95 °CTa = 22 °Ck = 0,07 min⁻¹t = 7 min
T = °C
2.Équations différentiellesDifficile
ty1,5y(1,5) = ?

Résolvez y′ + 3y = 10e−0,5t avec y(0) = 1. Trouvez y(1,5).

y′ + 3y = 10e−0,5ty(0) = 1
y(1.5) =
3.IntégralesMoyen
xy4y = 0,5x

La région sous y = 0,5x de x = 0 à x = 4 tourne autour de l’axe des x. Trouvez le volume V du solide (un cône).

y = 0,5x0 ≤ x ≤ 4
V =
4.IntégralesDifficile
xy1,5y = x²eˣ

Calculez I = ∫₀1,5 x²·eˣ dx.

∫₀1,5 x²eˣ dx
I =
5.DérivéesMoyen
xyx = 2

Soit f(x) = x·e−x. Calcule f′(2).

f(x) = x·e−xx = 2
f′(2) =
6.DérivéesDifficile
xyx = −2

La tangente à f(x) = 2x2 + 3x − 1 en x = −2 coupe l'axe des y en y = b. Trouve b.

f(x) = 2x2 + 3x − 1x = −2
b =
7.Méthodes numériquesMoyen

La méthode des trapèzes est utilisée pour ∫02 sin x dx. L’erreur est au plus (b − a)³·M/(12n²) avec M = max|f″| sur [0, 2]. Trouvez le plus petit nombre de bandes n qui garantit une erreur inférieure à 1 × 10⁻⁵.

f(x) = sin x[a, b] = [0, 2]ε = 1 × 10⁻⁵
n =
8.Méthodes numériquesDifficile
00,10,20,3−1,5−1ty(0, −1)

Résolvez y′ = 1,5y, y(0) = −1 avec la méthode d’Euler et le pas h = 0,1 jusqu’à t = 0,3. La solution exacte est y = y₀e1,5t. Trouvez l’erreur globale |E| = |y(0,3) − y3|.

y′ = 1,5yy(0) = −1h = 0,1
|E| =

3Solutions

1.Équations différentielles

Réponse: T = 66,72 °C

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.

Solution de la loi de refroidissement

T(t) = 22 + 73·e−0,07t

Remplacer t

T(7) = 22 + 73·0,6126 = 66,72 °C

Réponse

T = 66,72 °C
2.Équations différentielles

Réponse: y(1.5) = 1,856

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 = e3t
(e3ty)′ = 10e2,5t

Solution générale

y = 10/2,5·e−0,5t + C·e−3t = 4·e−0,5t + C·e−3t

Condition initiale

1 = 4 + C → C = −3

Évaluer

y(1,5) = 4·0,4724 + (−3)·0,01111 = 1,856

Réponse

y(1,5) = 1,856
3.Intégrales

Réponse: V = 16,76

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∫₀4 0,25x² dx

Intégrer

V = π·0,25·4³/3 = 16,76

Réponse

V = 16,76

Vérification : un cône de rayon 2 et de hauteur 4 a (1/3)πr²h = 16,76.

4.Intégrales

Réponse: I = 3,602

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.

Première étape

∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx

Deuxième étape

∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)

Limites

4,482·(1,25) − 1·2 = 3,602

Réponse

I = 3,602
5.Dérivées

Réponse: f′(2) = −0,1353

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−x·(1 + (−1)·x)

Remplacer

f′(2) = 0,1353·(1 + (−2)) = −0,1353

Réponse

f′(2) = −0,1353
6.Dérivées

Réponse: b = −9

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) = 1
f′(x) = 4x + 3 → f′(−2) = −5

Tangente en x = 0

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 1 − (−5)·(−2) = −9

Réponse

b = −9
7.Méthodes numériques

Réponse: n = 259

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.

Majoration de la dérivée seconde

M = |sin(π/2)| = 1

Résoudre pour n

n² > 8·1/(12·1 × 10⁻⁵) = 66667
n > 258,2 → n = 259

Réponse

n = 259
8.Méthodes numériques

Réponse: |E| = 0,04744

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₊₁00−1−1,5−1,1510,1−1,15−1,725−1,322520,2−1,3225−1,98375−1,520875

Pas d’Euler

y3 = −1,520875

Valeur exacte

y(0,3) = −1,568312

Erreur globale

|E| = |−1,568312 + 1,520875| = 0,04744
00,10,20,3−1,5−1ty

Graphique

Réponse

|E| = 0,04744

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

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