Epreuve d'enseignement de spécialité centres étrangers 5 juin 2024 - Exercice 1

35 min
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On considère l'équation différentielle (E0):y′=y\left(E_0\right): \quad y^{\prime}=y où yy est une fonction dérivable de la variable réelle xx.
Question 1

Démontrer que l'unique fonction constante solution de l'équation différentielle (E0)\left(E_0\right) est la fonction nulle.

Correction
Soit p(x)=kp(x)=k une fonction constante définie sur R\mathbb{R} solution de (E0)\left(E_0\right).
pp est dérivable sur R\mathbb{R} et l'on a : p′(x)=0p'(x)=0
pp est solution de de l'équation différentielle (E0)\left(E_0\right) si et seulement si p′(x)=p(x)p'(x)=p(x) .
Il vient alors que 0=k0=k.
L'unique fonction constante solution de l'équation différentielle (E0)\left(E_0\right) est donc la fonction nulle.
Question 2

Déterminer toutes les solutions de l'équation différentielle (E0)\left(E_0\right).

Correction
On considère l'équation différentielle (E0):y′=y\left(E_0\right): \quad y^{\prime}=y où yy est une fonction dérivable de la variable réelle xx.
Soit l’équation différentielle y′=ayy'=ay où aa est un réel avec a≠0a\ne 0, et où yy est une fonction de la variable xx définie et dérivable sur R\mathbb{R}.
  • Les solutions de cette équation sont les fonctions de la forme : f(x)=keaxf\left(x\right)=ke^{ax} où kk est une constante réelle.
  • On identifie ici que : a=1a=1 .
    Il en résulte que les solutions de l'équation sont alors : f(x)=kexf\left(x\right)=ke^{x} où kk est une constante réelle.
    Finalement :
    f(x)=kexf\left(x\right)=ke^{x}
    où kk est une constante réelle.
    Question 3
    On considère l'équation différentielle  (E) : y′=y−cos⁡(x)−3sin⁡(x)\text { (E) : } \quad y^{\prime}=y-\cos (x)-3 \sin (x) où yy est une fonction dérivable de la variable réelle xx.

    La fonction hh est définie sur R\mathbb{R} par h(x)=2cos⁡(x)+sin⁡(x)h(x)=2 \cos (x)+\sin (x). On admet qu'elle est dérivable sur R\mathbb{R}.
    Démontrer que la fonction hh est solution de l'équation différentielle (E)(E).

    Correction
    Soit la fonction hh est définie sur R\mathbb{R} par h(x)=2cos⁡(x)+sin⁡(x)h(x)=2 \cos (x)+\sin (x) .
    hh est dérivable sur R\mathbb{R}.
    Pour tout réel xx on a donc : h′(x)=−2sin⁡(x)+cos⁡(x)h^{\prime}(x)=-2 \sin (x)+\cos (x)
    Maintenant vérifions si h(x)−cos⁡(x)−3sin⁡(x)h(x)-\cos (x)-3 \sin (x) est égale à h′(x)h^{\prime}(x) ce qui justifierait que la fonction hh est solution de l'équation différentielle (E)(E).
    Il vient alors que :
    h(x)−cos⁡(x)−3sin⁡(x)=2cos⁡(x)+sin⁡(x)−cos⁡(x)−3sin⁡(x)h(x)-\cos (x)-3 \sin (x) =2 \cos (x)+\sin (x)-\cos (x)-3 \sin (x)
    h(x)−cos⁡(x)−3sin⁡(x)=cos⁡(x)−2sin⁡(x) h(x)-\cos (x)-3 \sin (x) =\cos (x)-2 \sin (x)
    h(x)−cos⁡(x)−3sin⁡(x)=h′(x)h(x)-\cos (x)-3 \sin (x) =h^{\prime}(x)
    Finalement : hh est solution de l'équation différentielle (E)(E)
    Question 4

    On considère une fonction ff définie et dérivable sur⁡R\operatorname{sur} \mathbb{R}.
    Démontrer que : ff est solution de (E)(E) est équivalent à f−hf-h est solution de (E0)\left(E_0\right) .

    Correction
    Premièrement : supposons que f\red{f} soit une solution de (E)\red{\left(E\right)}.
    D'une part : une fonction ff est solution de (E)\left(E\right) si et seulement si f′=f−cos⁡(x)−3sin⁡(x)f^{\prime}=f-\cos (x)-3 \sin (x) . Notons (1)(1) cette équation .
    D'autre part : d'après la question 33, nous avons vérifier que hh est également une solution de l'équation (E)\left(E\right) ainsi h′=h−cos⁡(x)−3sin⁡(x)h^{\prime}=h-\cos (x)-3 \sin (x) . Notons (2)(2) cette équation .
    Par soustraction membre à membre des égalités (1)(1) et (2)(2), on obtient pour tout réel xx :
    f′−h′=f−cos⁡(x)−3sin⁡(x)−(h−cos⁡(x)−3sin⁡(x)) f' -h' =f-\cos (x)-3 \sin (x)-\left(h-\cos (x)-3 \sin (x)\right)
    f′−h′=f−cos⁡(x)−3sin⁡(x)−h+cos⁡(x)+3sin⁡(x) f' -h' =f-\cos (x)-3 \sin (x)-h+\cos (x)+3 \sin (x)
    f′−h′=f−h f' -h' =f-h
    Il en résulte donc que h−fh-f est solution de l'équation (E0):y′=y\left(E_0\right) : y' =y .
    Ainsi nous venons de montrer que hh est solution de (E)\left(E\right) si et seulement si f−hf-h est solution de (E0)\left(E_0\right).
    Deuxièmement : supposons maintenant que f−h\red{f-h} soit une solution de (E0)\red{\left(E_0\right)}.
    Il vient alors que :
    (f−h)′(x)=f(x)−h(x)(f-h)^{\prime}(x)=f(x)-h(x)
    f′(x)−h′(x)=f(x)−h(x) f^{\prime}(x)-h^{\prime}(x)=f(x)-h(x)
    f′(x)−f(x)=h′(x)−h(x) f^{\prime}(x)-f(x)=h^{\prime}(x)-h(x)
    D'après la question 33 , la fonction hh est solution de l'équation différentielle (E)(E) autrement dit h(x)−h′(x)=cos⁡(x)+3sin⁡(x)h(x)-h^{\prime}(x) =\cos (x)+3 \sin (x)
    On alors :
    f′(x)−f(x)=cos⁡(x)+3sin⁡(x) f^{\prime}(x)-f(x)= \cos (x)+3 \sin (x)
    f′(x)=f(x)+cos⁡(x)+3sin⁡(x) f^{\prime}(x)=f(x)+ \cos (x)+3 \sin (x)
    Il en résulte donc que ff est solution de (E)(E).
    Ainsi nous venons de montrer que f−hf-h est solution de (E0)\left(E_0\right) si et seulement si ff est solution de (E)\left(E\right).
    Conclusion : ff est solution de (E)(E) si et seulement si f−hf-h est solution de (E0)\left(E_0\right).
    Question 5

    En déduire toutes les solutions de l'équation différentielle (E)(E).

    Correction
    D'après la question 22, nous avons montrer que
    f(x)=kexf\left(x\right)=k\mathrm{e}^{x}
    où kk est une constante réelle est une solution de (E0):y′=y\left(E_0\right) : y'=y
    De plus, d'après la question 44, nous avons également montrer que ff est solution de (E)(E) est équivalent à f−hf-h est solution de (E0)\left(E_0\right) .
    Ce qui nous permet d'écrire :
    f(x)−h(x)=kexf(x)-h(x)=k \mathrm{e}^x où kk est une constante réelle.
    f(x)=kex+h(x)f(x)=k \mathrm{e}^x +h(x) où kk est une constante réelle.
    f(x)=kex+2cos⁡(x)+sin⁡(x)f(x)=k\mathrm{e}^x+2 \cos (x)+\sin (x) où kk est une constante réelle.
    Les solutions de (E)\left(E\right) sont les fonctions de la forme
    f(x)=kex+2cos⁡(x)+sin⁡(x)f(x)=k\mathrm{e}^x+2 \cos (x)+\sin (x)
    où kk est une constante réelle.
    Question 6

    Déterminer l'unique solution gg de l'équation différentielle (E)(E) telle que g(0)=0g(0)=0.

    Correction
    gg étant solution de l'équation différentielle (E)(E) il existe alors un réel kk tel que g(x)=kex+2cos⁡(x)+sin⁡(x)g(x)=k \mathrm{e}^x+2 \cos (x)+\sin (x).
    Comme g(0)=0g(0)=0 alors on peut écrire que :
    ke0+2cos⁡(0)+sin⁡(0)=0k \mathrm{e}^0+2 \cos (0)+\sin (0)=0
    k×1+2×1+0=0k\times1+2\times1+0=0
    k+2=0k+2=0
    k=−2k=-2
    L'unique solution gg de l'équation différentielle (E)(E) telle que g(0)=0g(0)=0 s'écrit alors :
    g(x)=kex+2cos⁡(x)+sin⁡(x)g(x)=k \mathrm{e}^x+2 \cos (x)+\sin (x)
    Question 7

    Calculer : ∫0π2[−2ex+sin⁡(x)+2cos⁡(x)]dx.\int_0^{\frac{\pi}{2}}\left[-2 \mathrm{e}^x+\sin (x)+2 \cos (x)\right] \mathrm{d} x .

    Correction
    I=∫0π2(−2ex+sin⁡(x)+2cos⁡(x))dx I =\int_0^{\frac{\pi}{2}}\left(-2 \mathrm{e}^x+\sin (x)+2 \cos (x)\right) \mathrm{d} x équivaut successivement à :
    I=[−2ex−cos⁡(x)+2sin⁡(x)]0π2 I=\left[-2 \mathrm{e}^x-\cos (x)+2 \sin (x)\right]_0^{\frac{\pi}{2}}
    I=−2eπ2−cos⁡(π2)+2sin⁡(π2)−(−2e0−cos⁡(0)+2sin⁡(0))I=-2 \mathrm{e}^{\frac{\pi}{2}}-\cos \left(\frac{\pi}{2}\right)+2 \sin \left(\frac{\pi}{2}\right)-\left(-2 \mathrm{e}^0-\cos (0)+2 \sin (0)\right)
    I=−2eπ2−0+2×1−(−2−1+2×0) I=-2 \mathrm{e}^{\frac{\pi}{2}}-0+2 \times 1-(-2-1+2 \times 0)
    I=−2eπ2−0+2×1−(−3) I=-2 \mathrm{e}^{\frac{\pi}{2}}-0+2 \times 1-(-3)
    I=−2eπ2+2+3 I=-2 \mathrm{e}^{\frac{\pi}{2}}+2+3
    Ainsi :
    I=−2eπ2+5 I=-2 \mathrm{e}^{\frac{\pi}{2}}+5

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