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Leçon 1

L'équation y′=ayy' = ay

Vidéo 1 : L'équation y' = ay · 3 min 50 s · sous-titres en français

Le cours écrit

1.1 Qu'est-ce qu'une équation différentielle ?

Une équation différentielle est une équation dont l'inconnue est une fonction, notée yy, et qui relie yy à ses dérivées y′y', y′′y''.

Par exemple, y′=2yy' = 2y est une équation différentielle. Une solution sur R\mathbb{R} est une fonction ff dérivable sur R\mathbb{R} telle que f′(x)=2f(x)f'(x) = 2f(x) pour tout réel xx. Résoudre l'équation, c'est trouver toutes ses solutions.

Exemple 1. On considère l'équation y′=2yy' = 2y.

  • f(x)=e2xf(x) = e^{2x} est solution : f′(x)=2e2x=2f(x)f'(x) = 2e^{2x} = 2f(x).
  • g(x)=3e2xg(x) = 3e^{2x} est aussi solution : g′(x)=6e2x=2g(x)g'(x) = 6e^{2x} = 2g(x).
  • h(x)=x2h(x) = x^2 n'est pas solution : h′(x)=2xh'(x) = 2x, alors que 2h(x)=2x22h(x) = 2x^2, et ces deux nombres sont différents pour x=1x = 1.

Une équation différentielle a en général une infinité de solutions. On verra qu'une condition initiale, comme f(0)=1f(0) = 1, permet d'en choisir une seule.

Vocabulaire. Une équation comme y′+3y=0y' + 3y = 0 ou y′′−2y′+y=0y'' - 2y' + y = 0, dont le second membre est nul, est dite homogène (ou « sans second membre »). Une équation comme y′+3y=6y' + 3y = 6 est une équation avec second membre. Le programme se limite aux équations linéaires à coefficients constants du premier et du second ordre.

1.2 Le théorème

Théorème 1. Soit aa un réel. Les solutions sur R\mathbb{R} de l'équation y′=ayy' = ay sont les fonctions x⟼λ eax,λ∈R.x \longmapsto \lambda\,e^{ax}, \qquad \lambda \in \mathbb{R}.

Démonstration.

  1. Ces fonctions sont solutions. Si f(x)=λeaxf(x) = \lambda e^{ax}, alors f′(x)=λa eax=af(x)f'(x) = \lambda a\,e^{ax} = a f(x).
  2. Il n'y en a pas d'autres. Soit ff une solution. On pose g(x)=f(x) e−axg(x) = f(x)\,e^{-ax}. Alors g′(x)=f′(x) e−ax−af(x) e−ax=(f′(x)−af(x)) e−ax=0.g'(x) = f'(x)\,e^{-ax} - a f(x)\,e^{-ax} = \big(f'(x) - a f(x)\big)\,e^{-ax} = 0. La dérivée de gg est nulle sur l'intervalle R\mathbb{R}, donc gg est constante : g(x)=λg(x) = \lambda. Ainsi f(x)=λ eaxf(x) = \lambda\,e^{ax}.

L'équation ay′+by=0ay' + by = 0. Si a≠0a \neq 0, elle s'écrit y′=−ba yy' = -\dfrac{b}{a}\,y. Ses solutions sont donc les fonctions x⟼λ e−baxx \longmapsto \lambda\,e^{-\frac{b}{a}x}.

Attention au signe. y′+3y=0y' + 3y = 0 s'écrit y′=−3yy' = -3y : les solutions sont λe−3x\lambda e^{-3x}, et non λe3x\lambda e^{3x}.

1.3 Condition initiale

Théorème 2. Soit x0x_0 et y0y_0 deux réels. L'équation y′=ayy' = ay admet une solution et une seule ff telle que f(x0)=y0f(x_0) = y_0. C'est la fonction f(x)=y0 ea(x−x0).f(x) = y_0\,e^{a(x - x_0)}.

Démonstration. Les solutions sont les fonctions λeax\lambda e^{ax}. La condition λeax0=y0\lambda e^{a x_0} = y_0 donne une seule valeur, λ=y0 e−ax0\lambda = y_0\,e^{-a x_0}.

Graphiquement, par chaque point du plan passe une seule courbe solution : deux courbes solutions distinctes ne se coupent jamais.

Exemple 2. Résoudre y′=−3yy' = -3y, puis trouver la solution ff telle que f(0)=2f(0) = 2.

Les solutions sont les fonctions x⟼λe−3xx \longmapsto \lambda e^{-3x}. La condition f(0)=λ=2f(0) = \lambda = 2 donne f(x)=2e−3xf(x) = 2e^{-3x}.

Exemple 3. Trouver la solution ff de 2y′+y=02y' + y = 0 telle que f(2)=1f(2) = 1.

L'équation s'écrit y′=−12 yy' = -\dfrac12\,y. Les solutions sont x⟼λe−x2x \longmapsto \lambda e^{-\frac{x}{2}}. La condition f(2)=λe−1=1f(2) = \lambda e^{-1} = 1 donne λ=e\lambda = e, donc f(x)=e×e−x2=e1−x2.f(x) = e \times e^{-\frac{x}{2}} = e^{1 - \frac{x}{2}}.

Remarque. Une solution non nulle x⟼λeaxx \longmapsto \lambda e^{ax} ne s'annule jamais et garde le signe de λ\lambda. Si aλ>0a\lambda > 0, elle est strictement croissante ; si aλ<0a\lambda < 0, elle est strictement décroissante.

1.4 Un modèle : la croissance d'une population

Modèle simplifié, données inventées. Une culture contient 10001000 bactéries à l'instant t=0t = 0 (tt en heures). On admet que le nombre N(t)N(t) de bactéries vérifie N′(t)=0,5 N(t)N'(t) = 0{,}5\,N(t) : la vitesse de croissance est proportionnelle à la population.

Exemple 4.

  • D'après le théorème 2, N(t)=1000 e0,5tN(t) = 1000\,e^{0{,}5t}.
  • Temps de doublement. N(t)=2000  ⟺  e0,5t=2  ⟺  0,5 t=ln⁡2  ⟺  t=2ln⁡2≈1,386N(t) = 2000 \iff e^{0{,}5t} = 2 \iff 0{,}5\,t = \ln 2 \iff t = 2\ln 2 \approx 1{,}386. La population double en 11 h 2323 min environ, et elle redouble ensuite à chaque nouvelle période de même durée.
  • Au bout de 44 heures : N(4)=1000 e2≈7389N(4) = 1000\,e^{2} \approx 7389 bactéries.

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Exercices 1 et 2

  • Exercice 1 : résoudre et utiliser une condition initiale
  • Exercice 2 : la demi-vie d'un élément radioactif

Exercices du chapitre (PDF, 506 Ko)

Corrigés

Cherche d'abord les exercices sur ta feuille, puis compare avec le corrigé détaillé.

Corrigés du chapitre (PDF, 665 Ko)

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