Pour débuter - Exercice 1

15 min
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Un exercice classique pour débuter
Question 1
On considère l'équation différentielle (E)(E) suivante :
(E) : 2y′+y=3(E) \, : \, 2y' + y = 3
Il s'agit d'une équation différentielle linéaire, du premier ordre, à coefficients constant, et avec second membre.

Déterminer la solution particulière ypy_p de l'équation (E)(E).

Correction
Si la solution yy (de variable xx) de l'équation (E)(E) est constante réelle CC alors on a y′=0y'=0. Dans ce cas, on a une solution particulière ypy_p qui va s'écrire comme :
2yp′+yp=32y_p' + y_p = 3
Mais comme yp=Cy_p = C alors la dérivée est yp′=C′=0y'_p = C' = 0. Dans ce cas, on en déduit que :
yp(x)=3y_p(x) = 3
Question 2

Déterminer la solution sans second membre yssmy_{ssm} de l'équation (E)(E).

Correction
Puis, si on considère l'équation sans second membre (dont la solution sera notée yssmy_{ssm}) à savoir 2yssm′+yssm=02y'_{ssm} + y_{ssm} =0, on peut alors écrire que :
2yssm′=−yssm    ⟺    yssm′=−12yssm    ⟺    yssm′yssm=−122y'_{ssm} = - y_{ssm} \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, y'_{ssm} = -\dfrac{1}{2} y_{ssm} \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, \dfrac{y'_{ssm}}{y_{ssm}} = -\dfrac{1}{2}
En intégrant, on trouve que :
ln⁡yssm(x)+k1=−12x+k2    ⟺    yssm(x)=e−12x+k2−k1\ln y_{ssm}(x) + k_1 = -\dfrac{1}{2}x + k_2 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, y_{ssm}(x) = e^{-\frac{1}{2}x + k_2 - k_1}
Dans ces équations, k1k_1 et k2k_2 sont deux constantes d'intégration réelles. En utilisant les propriétés de la fonction exponentielle, on va pouvoir écrire que :
yssm(x)=e−12xek2−k1y_{ssm}(x) = e^{-\frac{1}{2}x} e^{k_2 - k_1}
Or, le terme ek2−k1e^{k_2 - k_1} est une constante réelle, que nous noterons kk. Ainsi, on trouve que :
yssm(x)=ke−12x   k∈Ry_{ssm}(x) =k e^{-\frac{1}{2}x} \,\,\, k \in \mathbb{R}.
Question 3

Déterminer la solution générale yy de l'équation (E)(E)

Correction
L'équation différentielle (E)(E) est linéaire, on en déduit que la solution globale yy est la somme de ypy_p et de yssmy{ssm}. On a alors :
y=yssm+ypy = y_{ssm} + y_p
Finalement :
y(x)=ke−12x+3y(x) = k e^{-\frac{1}{2}x} + 3
Question 4

Déterminer la solution yy qui admet une tangente à l'origine de coefficient directeur égal à 33.

Correction
La solution yy qui admet une tangente à l'origine de coefficient directeur égal à 33 est caractérisée par la condition y′(x=0)=3y'(x=0)=3. Ce qui nous donne donc :
y′(x)=−12ke−12x     ⟹     y′(x=0)=−12ke−12×0     ⟺     y′(x=0)=−12ky'(x) = -\dfrac{1}{2}k e^{-\frac{1}{2}x} \,\,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\,\, y'(x=0) = -\dfrac{1}{2}k e^{-\frac{1}{2}\times 0} \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\ y'(x=0) = -\dfrac{1}{2}k
Ainsi, on peut écrire que :
3=−12k     ⟺     k=−63 = -\dfrac{1}{2}k \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\ k = -6
Finalement, on obtient :
y(x)=−6e−12x+3y(x) = -6 e^{-\frac{1}{2}x} + 3
En factorisant :
y(x)=3(1−2e−12x)y(x) = 3 \left( 1 - 2 e^{-\frac{1}{2}x} \right)

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