Leçon 5
L'équation différentielle
Le cours écrit
5.1 Le résultat
Dans cette leçon, est un nombre réel. On sait depuis la Première que la fonction exponentielle vérifie . Plus généralement, pour tout réel , la fonction a pour dérivée : elle vérifie . Ce sont les seules solutions.
Théorème. Les solutions sur de l'équation différentielle sont les fonctions
Démonstration. Ces fonctions sont solutions : si , alors .
Réciproquement, soit une solution sur . On pose, pour tout réel , La fonction est dérivable sur et car est solution. La dérivée de est nulle sur l'intervalle : est constante. Il existe un réel tel que pour tout . En multipliant par , on obtient .
Remarque. Avec , on retrouve que l'unique solution de telle que est la fonction exponentielle : c'est sa définition en Première, où l'unicité avait été admise.
5.2 Condition initiale
Propriété. Pour tous réels et , il existe une seule solution de telle que .
En effet, équivaut à . En particulier, la solution telle que est .
Exemple 28. Résoudre : les solutions sont les fonctions .
Exemple 29. Résoudre avec . On se ramène à la forme du cours : . Les solutions sont , et . La solution cherchée est .
Exemple 30. Résoudre avec . Les solutions sont , et , donc . La solution cherchée est .
5.3 Somme et produit par une constante
Si et sont solutions de et si est un réel, alors et sont encore solutions : Cette propriété est propre au cas . Elle est fausse pour avec : une somme de deux solutions vérifie alors .
5.4 L'allure des courbes
La fonction a pour dérivée , du signe de . Sa dérivée seconde est du signe de . Si , c'est la fonction nulle. Pour et :
| croissante, de limite en et en | décroissante, de limite en et en | |
| décroissante, de limite en et en | croissante, de limite en et en |
La courbe est convexe si , concave si . Elle ne coupe jamais l'axe des abscisses, qui est une asymptote. Deux solutions différentes n'ont aucun point commun : par chaque point du plan passe la courbe d'une seule solution.
5.5 Un exemple de modélisation
Une grandeur dont la vitesse de variation est proportionnelle à sa valeur vérifie . Cela arrive dans de nombreuses situations : une population qui se reproduit, une substance éliminée par l'organisme.
Exemple 31 (la caféine). Après une tasse de café, on note la quantité de caféine dans le sang, en milligrammes, heures après l'avoir bue. On modélise son élimination par , avec . Alors .
- Au bout de heures : milligrammes.
- La quantité est divisée par deux quand , c'est-à-dire pour heures, soit environ heures.
Exercices 9 et 10
- Exercice 9 : résoudre
- Exercice 10 : des nénuphars sur un lac
Corrigés
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