Un homicide - Exercice 1

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Voici une autre application dans le domaine de la thermique.
Question 1
En hivers, le corps d'une victime a été trouvé sur le lieu du crime à 2H20 du matin, en pleine nuit. Après
une demi-heure la température du corps est de 15 ∘C15\,^\circ C.
A l'heure de la découverte du corps sans vie, la température du corps est de 20 ∘C20\,^\circ C et la température extérieure est de −5 ∘C-5 \,^\circ C. Le temps tt est mesuré en minute.

Quand a eu lieu l'homicide ?

↬  \looparrowright \,\, Se rappeler la loi de Newton{\color{blue}{\textit{la loi de Newton}}} qui dit que la vitesse de refroidissement est proportionnelle à la différence des températures.

Correction
L'équation différentielle qui gouverne l'évolution temporelle de la température du corps est donnée par la loi de Newton{\color{blue}{\textit{la loi de Newton}}}. On a alors l'équation suivante :
On a :
d Tdt(t)=K(T(t)−Text)    ⟺    d Tdt(t)=K(T(t)+5)    ⟺    d Tdt(t)−KT(t)=5K\dfrac{d \, T}{dt}(t) = K (T(t) - T_{ext}) \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, \dfrac{d \, T}{dt}(t) = K (T(t) + 5) \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, \dfrac{d \, T}{dt}(t) - K T(t) = 5 K
Dans cette équation, KK est une constante réelle strictement négative. La solution homogène est, avec A∈RA \in \mathbb{R} :
TH(t)=A e−−K1t    ⟺    TH(t)=A eKtT_H(t) = A \, e^{-\frac{-K}{1}t} \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, T_H(t) = A \, e^{K t}
Puis la solution particulière est :
TP(t)=−5T_P(t) = - 5
La solution mathématique globale de l'EDO est alors :
T(t)=TH(t)+TP(t)=A eKt−5T(t) = T_H(t) + T_P(t) = A \, e^{K t} - 5
Prenons comme origine des temps, l'instant de la découverte du cadavre. On a alors la condition :
T(t=0)=20    ⟺    A eK0−5=20    ⟺    A×1−5=20    ⟺    A=25T(t=0) = 20 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, A \, e^{K 0} - 5 = 20 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, A \times 1 - 5 = 20 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, A = 25
Donc on a alors :
T(t)=25 eKt−5T(t) = 25 \, e^{K t} - 5
De plus, on sait qu'au bout de trente minutes la température du corps est de 15 ∘C15\,^\circ C. Donc on en déduit que :
T(t=30)=25 eK30−5    ⟺    <br/>15=25 e30K−5    ⟺    20=25 e30KT(t=30) = 25 \, e^{K 30} - 5 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,<br />15 = 25 \, e^{30K} - 5 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, 20 = 25 \, e^{30K}
Ce qui nous donne :
2025=e30K    ⟺    ln⁡(45)=30K    ⟺    K=ln⁡(45)30\dfrac{20}{25} = e^{30K} \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, \ln \left(\dfrac{4}{5}\right) = 30K \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, K = \dfrac{\ln \left(\dfrac{4}{5}\right)}{30}
Finalement, la loi de température est donnée par l'expression suivante :
T(t)=25 eln⁡(45)30t−5{\color{red}{\boxed{T(t) = 25 \, e^{\frac{\ln\left(\frac{4}{5}\right)}{30} t} - 5}}}
Enfin, pour estimer l'heure de la mort tmt_m, il suffit de se souvenir que la température corporelle normale est de 37 ∘C37 \, ^\circ C. Ainsi, on a :
37=25 eln⁡(45)30tm−5    ⟺    42=25 eln⁡(45)30tm    ⟺    4225=eln⁡(45)30tm37 = 25 \, e^{\frac{\ln\left(\frac{4}{5}\right)}{30} t_m} - 5 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, 42 = 25 \, e^{\frac{\ln\left(\frac{4}{5}\right)}{30} t_m} \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, \dfrac{42}{25} = e^{\frac{\ln\left(\frac{4}{5}\right)}{30} t_m}
Soit :
ln⁡(4225)=ln⁡(45)30tm\ln\left(\dfrac{42}{25} \right) = \dfrac{\ln\left(\dfrac{4}{5}\right)}{30} t_m
Ainsi, on trouve que :
tm=30ln⁡(4225)ln⁡(45)≃−70  mint_m = 30 \dfrac{\ln\left(\dfrac{42}{25} \right)}{\ln\left(\dfrac{4}{5}\right)} \simeq -70 \,\, min
Finalement, l'heure du décès est très voisine de 1H10 du matin{\color{red}{\boxed{\textbf{1H10 du matin}}}}. Graphiquement, cela nous donne :

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