🔁Équations différentielles
Cours de mathématiques · Terminale
Équations différentielles (solutions ) et , problème de Cauchy (condition initiale) et modélisation (refroidissement, charge d'un condensateur…).
Ce que tu vas savoir faire
- ✓Reconnaître une équation différentielle et vérifier qu'une fonction en est solution.
- ✓Résoudre : solutions .
- ✓Résoudre en passant par la solution constante.
- ✓Déterminer la solution d'un problème de Cauchy (condition initiale).
- ✓Modéliser une situation concrète par une équation différentielle.
Qu'est-ce qu'une équation différentielle ?
Une équation différentielle est une équation dont l'inconnue est une fonction , et qui relie cette fonction à sa (ou ses) dérivée(s). Par exemple, signifie : « trouver toutes les fonctions dont la dérivée est égale au double de ».
Une solution est une fonction qui vérifie l'égalité pour tout : en remplaçant par et par , l'équation est satisfaite. Une équation différentielle possède en général une infinité de solutions.
Pour vérifier qu'une fonction est solution de :
- Calcule la dérivée .
- Calcule .
- Vérifie que pour tout .
Vérifions que est solution de .
On dérive : .
On calcule .
On a bien , donc est solution.
Vérifier une solution est toujours simple : il suffit de dériver et de comparer. Si l'énoncé te donne une fonction candidate, teste-la directement.
Résolution de $y' = a y$
Soit un réel. Les solutions sur de l'équation différentielle :
sont exactement les fonctions de la forme :
La constante peut être n'importe quel réel : il y a donc une infinité de solutions. On vérifie : .
⭐ Pour les curieux — pourquoi ça marche ? Le cours dit que ces fonctions sont les solutions, mais pourquoi n'y en a-t-il aucune autre ? Prenons une solution quelconque et regardons la fonction auxiliaire . En la dérivant (règle du produit) : . Or est solution, donc et la parenthèse est nulle : partout, donc est constante, égale à un certain . En remontant, : toute solution est forcément de cette forme, il ne peut pas y en avoir d'autres.
Pour résoudre :
- Identifie le coefficient .
- Écris directement la solution générale .
- Si une condition initiale est donnée, calcule (section suivante).
Résolvons .
Ici , donc les solutions sont :
Par exemple est une solution (pour ), et la fonction nulle en est une autre (pour ).
Le coefficient se retrouve tel quel dans l'exposant : donne . Ne le confonds pas avec le facteur qui, lui, est libre.
Problème de Cauchy (condition initiale)
Un problème de Cauchy consiste à résoudre une équation différentielle avec une condition initiale du type . Cette condition fixe la valeur de la constante : il existe alors une unique solution.
Pour avec : la solution générale est ; on impose pour déterminer .
Pour résoudre un problème de Cauchy :
- Écris la solution générale .
- Remplace par et écris l'équation .
- Résous pour trouver , puis donne la solution unique.
Résolvons avec .
Solution générale : .
Condition initiale : , donc .
L'unique solution est . Vérification : . Correct.
Quand la condition est donnée en , c'est facile : , donc directement.
Résolution de $y' = a y + b$
Pour et réels, l'équation :
admet une solution constante particulière obtenue en posant : , donc .
Les solutions sont alors :
Autrement dit, on ajoute à la solution générale de la constante .
⭐ Pour les curieux — pourquoi ça marche ? L'astuce, c'est de glisser le repère sur la valeur d'équilibre. Posons , l'écart à l'équilibre . Comme est une constante, , et en remplaçant on trouve . La nouvelle inconnue obéit donc à l'équation simple , dont on connaît les solutions . On revient à : la constante vient juste du décalage du repère.
Pour résoudre :
- Cherche la solution constante : .
- Écris la solution générale .
- Utilise éventuellement une condition initiale pour fixer .
Résolvons .
Ici , . Solution constante : .
Solution générale : .
Vérification : et . Égalité vérifiée.
La solution particulière est la valeur d'équilibre : c'est vers elle que tend la fonction lorsque le terme disparaît (si ).
Modélisation : refroidissement
De nombreux phénomènes (refroidissement, désintégration radioactive, charge d'un condensateur) se modélisent par une équation .
Loi de refroidissement de Newton : la température d'un corps vérifie , où est la température ambiante et . En développant : , qui est de la forme avec et . La température tend vers la valeur d'équilibre .
Pour résoudre un problème de modélisation :
- Traduis l'énoncé en une équation .
- Trouve la solution générale .
- Utilise la condition initiale (état à ) pour déterminer .
- Interprète : valeur d'équilibre, sens d'évolution.
Un objet à refroidit dans une pièce à selon .
On a , (). Solution constante : .
Solution générale : . À : , donc .
Quand , et : la température de la pièce, comme attendu.
Vérifie toujours la cohérence physique : un corps qui refroidit doit tendre vers la température ambiante, jamais en dessous. Le signe garantit la convergence vers l'équilibre.
Croissance, décroissance et demi-vie
Selon le signe de , la solution (avec ) modélise une croissance ou une décroissance exponentielle :
• si , est strictement croissante et : croissance (population, capital placé) ; • si , est strictement décroissante et : décroissance (désintégration radioactive, décharge d'un condensateur).
Pour une décroissance (), la demi-vie est la durée au bout de laquelle la quantité a été divisée par . Elle vérifie , d'où :
⭐ Pour les curieux — pourquoi ça marche ? Pourquoi la demi-vie ne dépend-elle pas de la quantité de départ ? Parce que la décroissance est multiplicative, pas soustractive. Entre l'instant et l'instant , le rapport vaut : le se simplifie et le résultat ne dépend plus du tout de l'instant ni de la quantité présente. Si ce rapport vaut (soit ), alors chaque tranche de durée divise par deux ce qu'il reste : — qu'on parte d'un kilo ou d'un gramme.
Pour exploiter une demi-vie :
- Écris la solution .
- La demi-vie vérifie , soit .
- Passe au logarithme : , donc (et réciproquement ).
Un échantillon radioactif suit avec (en jours).
La demi-vie vaut jour.
Au bout de jour, il reste donc la moitié des noyaux ; au bout de jours, le quart, etc.
La demi-vie ne dépend pas de la quantité initiale : elle ne dépend que de . C'est une propriété caractéristique de la décroissance exponentielle.
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