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)57Ta​131 °C

Une pièce d’acier forgé à 360 °C refroidit dans un atelier à 23 °C. Au bout de 57 min, sa température est de 131 °C. Elle suit la loi de refroidissement de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Trouvez la constante k en min⁻¹.

T0 = 360 °CTa = 23 °CT(57) = 131 °C
k = min⁻¹
2.Équations différentiellesDifficile
tyK = 5ymax​ = ?

Un système obéit à y″ + 4y′ + 13y = 65 pour t ≥ 0, à partir du repos : y(0) = 0, y′(0) = 0. Trouvez la valeur de pic ymax de sa réponse indicielle.

y″ + 4y′ + 13y = 65y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntégralesMoyen
xy01

Calcule I = ∫01 e2x dx.

f(x) = e2x[0, 1]
I =
4.IntégralesDifficile
xy2y = 2xy = x²

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

y = 2xy = x²
V =
5.DérivéesMoyen
xyx = 1,5

Soit f(x) = x·sin(3x), avec x en radians. Calcule f′(1,5).

f(x) = x·sin(3x)x = 1,5 rad
f′(1.5) =
6.DérivéesDifficile
xy

Soit f(x) = x3 + 7,5x2 + 18x − 4. Trouve l'abscisse x du maximum local.

f(x) = x3 + 7,5x2 + 18x − 4
x =
7.Méthodes numériquesMoyen
xy00,511,52

Approchez ∫02 eˣ dx par la méthode des trapèzes, n = 4, et comparez avec la valeur exacte. Trouvez l’erreur absolue |E| = |T − I|.

f(x) = eˣ[a, b] = [0, 2]n = 4
|E| =
8.Méthodes numériquesDifficile
00,511,520123ty(0, 3)

Utilisez la méthode d’Euler avec h = 0,5 pour y′ = cos t − y, y(0) = 3 afin d’estimer y4 ≈ y(2).

y′ = cos t − yy(0) = 3h = 0,5
y4 =

3Solutions

1.Équations différentielles

Réponse: k = 0,01996 min⁻¹

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.

Rapport des écarts de température

e−57k = 108/337

Résoudre pour k

k = ln(337/108)/57 = 0,01996 min⁻¹

Réponse

k = 0,01996 min⁻¹
2.Équations différentielles

Réponse: ymax = 5,616

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 = 5, r = −2 ± 3j

Constantes à partir des valeurs initiales

y(0) = 5 + A = 0 → A = −5
y′(0) = −2A + 3B = 0 → B = −3,333

Pic

t = π/3 = 1,047
ymax = 5·(1 + e−2·π/3) = 5,616

Réponse

ymax = 5,616
3.Intégrales

Réponse: I = 3,195

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 = (e2 − 1)/2 = (7,389 − 1)/2 = 3,195

Réponse

I = 3,195
4.Intégrales

Réponse: V = 13,4

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

2x = 1x² → x = 0, x = 2

Méthode des rondelles

V = π∫₀2 ((2x)² − (1x²)²) dx

Intégrer

V = π(4·2³/3 − 1·2⁵/5) = π·4,267 = 13,4

Réponse

V = 13,4
5.Dérivées

Réponse: f′(1.5) = −1,926

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 et en chaîne

f′(x) = sin(3x) + 3x·cos(3x)

Remplacer

f′(1,5) = −0,9775 + 4,5·(−0,2108) = −1,926

Réponse

f′(1,5) = −1,926
6.Dérivées

Réponse: x = −3

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 + 15x + 18 = 3·(x2 + 5x + 6)

Résoudre f′(x) = 0

x = −3 ou x = −2

Lequel est lequel

f″(x) = 6x + 15 : négative en un maximum, positive en un minimum.

f″(−3) = −3, f″(−2) = 3
x = −3

Réponse

x = −3
7.Méthodes numériques

Réponse: |E| = 0,1326

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 = 6,389056

Méthode des trapèzes

T = (0,5/2)·(1 + 2·1,648721 + 2·2,718282 + 2·4,481689 + 7,389056) = 6,52161

Erreur

|E| = |6,52161 − 6,389056| = 0,1326

Réponse

|E| = 0,1326

Erreur relative : 2,075 %.

8.Méthodes numériques

Réponse: y4 = 0,5301

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₊₁003−2210,52−1,1224171,438791211,438791−0,8984890,98954731,50,989547−0,918810,530142

Pas d’Euler

y₁ = 3 + 0,5·(−2) = 2
y₂ = 2 + 0,5·(−1,122417) = 1,438791
y₃ = 1,438791 + 0,5·(−0,898489) = 0,989547
y₄ = 0,989547 + 0,5·(−0,91881) = 0,530142
00,511,520123ty

Graphique

y4 = 0,5301

Réponse

y4 = 0,5301

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