Calcul intégral 201-SN3-RE (ancien 201-NYB) • Complément québécois de Terminale et cégep à Montréal
Fiche de révision : les équations différentielles
Cette fiche ne réexplique pas ce qu'est une équation différentielle : vous le savez. Elle traite ce qui décide de la note à la dernière question de l'examen final, à savoir le traitement de la constante d'intégration, qui change de forme entre le logarithme et l'exponentielle, et la mise sous forme standard avant tout facteur intégrant.
Elle s'adresse aux étudiants de cégep en Sciences de la nature à Montréal, et aux élèves de Terminale des lycées français qui suivent le complément québécois de mathématiques. La série d'exercices corrigés du même chapitre met ensuite chaque réflexe à l'épreuve.
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Le fil du chapitre
Résoudre une équation différentielle, c'est trouver une FAMILLE de fonctions; une condition initiale en sélectionne une seule. Presque toutes les pertes de points viennent de la constante : perdue, ajoutée au mauvais moment, ou déterminée avant d'avoir fini la résolution.
•La solution GÉNÉRALE d'une équation du premier ordre contient UNE constante arbitraire : c'est une famille de courbes.
•Une CONDITION INITIALE y(x0)=y0 sélectionne une seule courbe de cette famille.
•On détermine la constante APRÈS avoir écrit la solution générale complète, jamais avant.
•Vérifier une solution est immédiat : on la dérive et on la substitue dans l'équation.
•Une équation du second ordre a DEUX constantes, donc il faut deux conditions.
Quatre solutions de y′=y pour C=−1, 21, 1 et 2 : la constante MULTIPLIE l'exponentielle, elle ne s'y ajoute pas, et une seule courbe passe par un point donné.
Les courbes de la famille ne se coupent jamais quand l'équation est de la forme y′=f(x,y) avec f régulière : par chaque point passe exactement une solution.
Séparation des variables, en cinq gestes
•Reconnaître la forme dxdy=g(x)h(y), un PRODUIT d'une fonction de x et d'une fonction de y.
•Séparer : h(y)dy=g(x)dx, en notant les valeurs de y qui annulent h.
•Intégrer les deux membres, avec UNE seule constante, du côté des x.
•Isoler y, en transformant la constante quand elle traverse une exponentielle.
•Vérifier les solutions CONSTANTES perdues à l'étape 2, celles où h(y)=0.
La constante change de nature en traversant l'exponentielle : ln∣y∣=x+C donne y=±eCex, que l'on réécrit y=Kex avec K de signe quelconque.
Équation linéaire et facteur intégrant
•Forme STANDARD obligatoire : y′+P(x)y=Q(x), avec le coefficient de y′ égal à 1.
•Facteur intégrant : μ(x)=e∫P(x)dx, sans constante d'intégration ici.
•Multiplier l'équation par μ rend le membre de gauche égal à (μy)′.
•Il reste μy=∫μQdx+C, puis on divise par μ.
•Modèles usuels : y′=ky donne y=Cekx; y′=k(y−A) donne y=A+Cekx; le logistique y′=ky(1−Ky) donne une courbe en S de plafond K.
Les pièges qui coûtent des points
Les erreurs ci-dessous sont celles que je corrige le plus souvent en séance. Chacune coûte des points sur une copie, même quand le raisonnement est juste.
1.Ajouter la constante au lieu de la multiplier
toute la question, la fonction obtenue n'étant pas solution
Ce qu'il ne faut pas écrire
« ln∣y∣=x+C, donc y=ex+C. »
Ce qu'il faut écrire
« y=ex+C=eCex=Kex : la constante devient un FACTEUR. »
Les deux courbes partent de (0;2), mais seule 2ex (vert) vérifie y′=y ; ex+1 (rouge) a pour dérivée ex, pas y.
Pourquoi : L'exponentielle d'une somme est un produit, pas une somme. Vérification immédiate : y=ex+C donne y′=ex=y−C=y, alors que y=Kex donne y′=Kex=y ✓. Une seconde de dérivation élimine la fausse réponse.
2.Utiliser la condition initiale trop tôt
1 à 2 points, et souvent une expression impossible à simplifier
Ce qu'il ne faut pas écrire
« ln∣y∣=x+C, et y(0)=3 donne C=ln3, donc ln∣y∣=x+ln3. »
Ce qu'il faut écrire
« J'isole d'abord y=Kex, PUIS y(0)=3 donne K=3, donc y=3ex. »
Pourquoi : Déterminer la constante avant d'avoir isolé y oblige à traîner un logarithme jusqu'au bout, et la constante y prend une forme inutilement compliquée. L'ordre est toujours le même : solution générale complète, puis condition initiale.
3.Perdre la solution constante en divisant
1 à 2 points, et la solution d'équilibre du modèle disparaît
Ce qu'il ne faut pas écrire
« dxdy=y(2−y), je divise par y(2−y) et j'intègre. »
Ce qu'il faut écrire
« Je note d'abord que y=0 et y=2 sont des solutions CONSTANTES, puis je divise sur les intervalles où y=0 et y=2. »
y=0 et y=2 (vert) annulent y(2−y) : ce sont des solutions, que la division par y(2−y) fait disparaître. Les autres solutions s'en approchent.
Pourquoi : Diviser par une expression qui peut s'annuler fait disparaître les solutions correspondantes. Dans un modèle logistique, y=K est l'état d'équilibre, c'est-à-dire la réponse à la question « que devient la population à long terme ». La perdre, c'est perdre l'interprétation.
4.Appliquer le facteur intégrant sans forme standard
toute la question
Ce qu'il ne faut pas écrire
« xy′+2y=x3 : je prends μ=e∫2dx=e2x. »
Ce qu'il faut écrire
« Je divise d'abord par x : y′+x2y=x2, donc P(x)=x2 et μ=e2ln∣x∣=x2. »
Pourquoi : La formule du facteur intégrant suppose le coefficient de y′ égal à 1. Sans cette mise en forme, P est faux et tout le reste s'écroule. Le contrôle : après multiplication par μ, le membre de gauche doit être exactement la dérivée de μy.
5.Ajouter une constante au facteur intégrant
du temps perdu, et parfois une erreur d'algèbre
Ce qu'il ne faut pas écrire
μ(x)=e∫Pdx+C
Ce qu'il faut écrire
μ(x)=e∫Pdx, sans constante : n'importe quel facteur intégrant convient, on prend le plus simple.
Pourquoi : Une constante multiplicative dans μ se simplifie de part et d'autre de l'équation : elle ne sert à rien. La seule constante qui compte est celle de l'intégration FINALE, celle qui engendre la famille de solutions.
6.Supprimer la valeur absolue sans discussion
1 point, et la moitié des solutions disparaît
Ce qu'il ne faut pas écrire
« ln∣y∣=x+C donne lny=x+C. »
Ce qu'il faut écrire
« ∣y∣=eCex, donc y=±eCex, que l'on écrit y=Kex avec K réel quelconque, éventuellement négatif. »
Pourquoi : Sans le ±, on perd toutes les solutions négatives, dont celles qui correspondent à une condition initiale négative. Le passage par K de signe quelconque règle la question une fois pour toutes, et il faut l'écrire, pas le sous-entendre.
7.Confondre croissance exponentielle et logistique
toute la question d'interprétation
Ce qu'il ne faut pas écrire
« La population croît proportionnellement à sa taille, donc elle tend vers l'infini. »
Ce qu'il faut écrire
« Le modèle LOGISTIQUE y′=ky(1−Ky) freine à l'approche de K : la population tend vers K, pas vers l'infini. »
Les deux courbes partent ensemble, puis la logistique s'infléchit et se colle à son plafond K=10 pendant que l'exponentielle continue de monter : seul le long terme les distingue.
Pourquoi : Les deux modèles coïncident au début, quand y est petit devant K, ce qui les rend indiscernables sur les premières données. C'est le comportement à long terme qui les sépare, et c'est précisément ce que l'énoncé demande d'interpréter.
8.Ne pas vérifier la solution trouvée
variable, mais c'est la vérification la moins chère de toute la session
Ce qu'il ne faut pas écrire
« J'ai isolé y, j'ai fini. »
Ce qu'il faut écrire
« Je dérive ma solution et je la substitue dans l'équation de départ, puis je vérifie la condition initiale. »
Pourquoi : Contrairement à la plupart des chapitres, une équation différentielle se vérifie complètement en trente secondes : on dérive, on substitue, on compare. Une copie qui ne le fait pas rend des erreurs de signe que le calcul ne révèle jamais.
Quelle méthode choisir
Quelle méthode, selon la forme de l'équation
On met l'équation sous une forme reconnaissable avant tout calcul. Deux méthodes, la séparation des variables et le facteur intégrant, règlent la plupart des questions du cégep.
Si l'équation s'écrit dxdy=g(x)h(y), un produit → SÉPARATION des variables, sans oublier les solutions constantes
Exemple : dxdy=xy donne ydy=xdx
Si l'équation s'écrit y′+P(x)y=Q(x) après division → FACTEUR INTÉGRANT μ=e∫P
Exemple : y′+x2y=x2 donne μ=x2
Si l'équation est y′=ky → croissance ou décroissance EXPONENTIELLE : y=Cekx, directement
Exemple : désintégration radioactive, intérêts composés continus
Si l'équation est y′=k(y−A) avec A constant → y=A+Cekx : c'est le refroidissement de Newton, A étant la température ambiante
Exemple : un café qui refroidit dans une pièce à 20 degrés
Si l'équation est y′=ky(1−Ky) → modèle LOGISTIQUE : séparation puis fractions partielles, plafond K
Exemple : une population limitée par ses ressources
Une équation qui n'entre dans aucune de ces formes après mise en ordre appelle une substitution : v=xy pour une équation homogène, u=y1−n pour une équation de Bernoulli, ou x vu comme fonction de y (exercices 1 et 7 de la série). Si aucune ne s'applique non plus, c'est qu'une manipulation algébrique manque.
Que faire de la constante, étape par étape
La constante change de forme trois fois au cours d'une résolution, et chaque transformation est un piège.
Si on vient d'intégrer les deux membres → UNE seule constante, du côté des x
Exemple : ln∣y∣=2x2+C
Si on applique l'exponentielle → la constante devient un FACTEUR : eC, renommé K
Exemple : ∣y∣=eCex2/2
Si on supprime la valeur absolue → K devient de SIGNE QUELCONQUE, et K=0 redonne la solution constante nulle
Exemple : y=Kex2/2 pour tout réel K
Si on dispose d'une condition initiale → substituer et résoudre en K, seulement à ce moment
Exemple : y(0)=3 donne K=3
La valeur K=0 récupère souvent la solution constante perdue lors de la division : c'est le contrôle qui clôt proprement la question.
La rédaction attendue
Le correcteur coche des étapes. Les voici dans l'ordre, avec la phrase de conclusion qu'il attend mot pour mot.
Une séparation des variables, rédigée pour le correcteur
Quand l'utiliser : Toute équation de la forme dxdy=g(x)h(y).
1Repérer et ANNONCER les solutions constantes : « h(y)=0 pour y=0, qui est solution. »
2Séparer les variables en écrivant les différentielles des deux côtés.
3Intégrer, avec une seule constante, et garder la valeur absolue dans le logarithme.
4Isoler y, en transformant la constante à chaque passage par l'exponentielle.
5Appliquer la condition initiale, puis VÉRIFIER en dérivant.
Phrase de conclusion
La solution générale est y=Kex2/2 pour K réel quelconque, et la condition y(0)=3 donne y=3ex2/2.
Le piège : Écrire une constante de chaque côté. Une seule suffit : C1 et C2 se regroupent immédiatement en C=C2−C1, et en garder deux fait croire qu'on n'a pas compris ce qu'est une famille de solutions.
Barème : En général 1 point pour les solutions constantes, 1 point pour la séparation, 2 points pour l'intégration et l'isolement, 1 point pour la condition initiale.
Vérifier avant de rendre
Cinq minutes de vérification récupèrent plus de points qu'un exercice de plus commencé à la hâte.
Dériver la solution et la substituer
Calculer y′ à partir de la solution trouvée, puis remplacer y et y′ dans l'équation de départ : les deux membres doivent coïncider identiquement.
y=3ex donne y′=3ex=y ✓, alors que y=ex+3 donne y′=ex=y−3=y.
Vérifier la condition initiale
Substituer x0 dans la solution particulière : on doit retrouver exactement y0.
y(0)=3e0=3 ✓. Une valeur différente signale une erreur dans la détermination de la constante.
Contrôler le comportement à long terme
Faire tendre x vers l'infini et vérifier que le résultat correspond au sens physique du problème.
Un café doit tendre vers la température ambiante : T(t)=20+70e−kt→20 ✓. Une limite nulle ou infinie signalerait un modèle mal posé.
Retrouver les solutions constantes dans la famille
Donner à la constante la valeur 0 et vérifier qu'on retombe sur la solution d'équilibre perdue lors de la division.
y=Kex avec K=0 donne y=0, qui est bien solution de y′=y ✓.
Contrôler les unités et l'ordre de grandeur
Dans un problème appliqué, vérifier que la constante de temps et les valeurs obtenues ont un sens : une décroissance qui met un siècle pour un café est absurde.
k=0,0336 par minute donne une demi-vie d'environ 20 minutes ✓, cohérent avec un café qui refroidit.
L'exercice type décortiqué
Le refroidissement de Newton, du modèle à la prédiction
Un café à 90 degrés est posé dans une pièce à 20 degrés. Au bout de 10 minutes, il est à 70 degrés.
Quelle sera sa température au bout de 30 minutes ?
La courbe part de 90 degrés, passe par la mesure (10;70) et se rapproche de la droite y=20 sans la franchir : c'est l'ÉCART à l'ambiante qui décroît exponentiellement.
Étape 1
Modèle : la vitesse de refroidissement est proportionnelle à l'écart avec l'ambiante, donc dtdT=−k(T−20) avec k>0.
Pourquoi
C'est l'ÉCART qui pilote le refroidissement, pas la température absolue : un café à 21 degrés dans une pièce à 20 ne refroidit presque plus. Écrire dtdT=−kT serait le modèle d'un café qui tendrait vers 0 degré, quelle que soit la pièce.
Étape 2
Séparation : T=20 est solution constante; ailleurs, T−20dT=−kdt, donc ln∣T−20∣=−kt+C.
Pourquoi
La solution constante T=20 est notée avant de diviser : c'est la température d'équilibre, et elle sera récupérée par K=0 à la fin. La valeur absolue est conservée, elle disparaîtra proprement à l'étape suivante.
Étape 3
Exponentielle : ∣T−20∣=eCe−kt, donc T−20=Ke−kt avec K de signe quelconque, et T(t)=20+Ke−kt.
Pourquoi
La constante devient un facteur, puis de signe quelconque : les deux transformations en une ligne. La forme obtenue est celle annoncée par l'arbre pour y′=k(y−A), ce qui confirme la cohérence.
Étape 4
Conditions : T(0)=90 donne 20+K=90, soit K=70. Puis T(10)=70 donne 20+70e−10k=70, soit e−10k=75 et k=10ln57≈0,0336 par minute.
Pourquoi
Deux conditions pour deux inconnues, K et k, appliquées dans l'ordre : la plus simple d'abord. On garde 75 en fraction exacte, ce qui rendra le calcul final immédiat.
30 minutes valent trois fois 10 minutes, donc l'exponentielle est le CUBE de celle déjà connue. Ce raccourci évite de manipuler la valeur décimale de k et donne une réponse exacte en fraction.
Étape 6
Contrôles : T décroît ✓, reste au-dessus de 20 ✓, et tend vers 20 quand t→+∞ ✓. La suite 90, 70, 55,7, 45,5 aux temps 0, 10, 20, 30 montre des écarts 70, 50, 35,7, 25,5 dont le rapport est constant et vaut 75 ✓.
Pourquoi
Le rapport constant des ÉCARTS sur des intervalles égaux est la signature d'une décroissance exponentielle : c'est le contrôle le plus parlant du chapitre, et il ne demande aucun calcul supplémentaire.
Conclusion rédigée
La température suit T(t)=20+70e−kt avec k=10ln57≈0,0336 par minute; au bout de 30 minutes, le café est à 20+70(75)3≈45,5 degrés.
L'erreur classique sur cet exercice : Poser dtdT=−kT en oubliant l'ambiante. La solution serait T=90e−kt, qui tend vers 0 degré : le café gèlerait, ce qu'aucune pièce à 20 degrés ne permet.
À savoir par cœur
•La solution générale contient UNE constante par ordre de l'équation : c'est une famille.
•Condition initiale APRÈS avoir isolé y, jamais avant.
•ln∣y∣=x+C donne y=Kex : la constante devient un FACTEUR de signe quelconque.
•Séparation : noter les solutions constantes AVANT de diviser, et les récupérer par K=0.
•Facteur intégrant : mettre sous forme y′+Py=Q d'abord, puis μ=e∫P, sans constante.
•y′=ky donne Cekx; y′=k(y−A) donne A+Cekx; le logistique plafonne à K.
•Refroidissement : c'est l'ÉCART à l'ambiante qui décroît exponentiellement.
•Vérification en trente secondes : dériver, substituer, contrôler la condition initiale.
Questions fréquentes
Pourquoi la solution d'une équation différentielle contient-elle une constante ?
Parce que l'équation ne contraint que la dérivée, et qu'une infinité de fonctions ont la même dérivée à une constante près. La solution générale est donc une famille de courbes. Une condition initiale, qui impose la valeur en un point, en sélectionne exactement une.
Pourquoi la constante devient-elle un facteur après l'exponentielle ?
Parce que l'exponentielle d'une somme est un produit d'exponentielles. Le logarithme de la valeur absolue de y égale x plus C donne donc la valeur absolue de y égale e puissance C multiplié par e puissance x. On renomme ce facteur K, de signe quelconque une fois la valeur absolue levée.
Quand utiliser la séparation des variables et quand le facteur intégrant ?
La séparation s'applique quand l'équation s'écrit comme un produit d'une fonction de x et d'une fonction de y. Le facteur intégrant s'applique aux équations linéaires du premier ordre, de la forme y prime plus P de x fois y égale Q de x, après division pour que le coefficient de y prime vaille un.
Pourquoi faut-il noter les solutions constantes avant de séparer ?
Parce que la séparation exige de diviser par une expression en y, et cette division fait disparaître les valeurs qui l'annulent. Ces valeurs sont exactement les solutions constantes, souvent les états d'équilibre du modèle, donc la réponse à la question sur le comportement à long terme.
Quelle est la différence entre croissance exponentielle et logistique ?
L'exponentielle croît sans limite, la logistique freine en approchant d'un plafond appelé capacité limite. Les deux courbes sont presque identiques au début, quand la population est petite devant ce plafond, et ne se distinguent qu'à long terme. C'est cette distinction que les questions d'interprétation cherchent.
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Exercices corrigés : Équations différentielles
Une méthode se prouve sur une copie, pas sur une fiche. La série du même chapitre reprend chacun de ces pièges dans un exercice, avec le corrigé rédigé étape par étape.
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