🔁Équations différentielles

Cours de mathématiques · Terminale

Équations différentielles y=ayy' = ay (solutions f(x)=Ceaxf(x) = C e^{ax}) et y=ay+by' = ay + b, 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 y=ayy' = ay : solutions f(x)=Ceaxf(x) = C e^{ax}.
  • Résoudre y=ay+by' = ay + b 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 ?

Règle

Une équation différentielle est une équation dont l'inconnue est une fonction yy, et qui relie cette fonction à sa (ou ses) dérivée(s). Par exemple, y=2yy' = 2y signifie : « trouver toutes les fonctions yy dont la dérivée yy' est égale au double de yy ».

Une solution est une fonction ff qui vérifie l'égalité pour tout xx : en remplaçant yy par ff et yy' par ff', l'équation est satisfaite. Une équation différentielle possède en général une infinité de solutions.

Méthode

Pour vérifier qu'une fonction ff est solution de y=ayy' = ay :

  1. Calcule la dérivée ff'.
  2. Calcule a×fa \times f.
  3. Vérifie que f(x)=af(x)f'(x) = a\,f(x) pour tout xx.
Exemple

Vérifions que f(x)=e2xf(x) = e^{2x} est solution de y=2yy' = 2y.

On dérive : f(x)=2e2xf'(x) = 2e^{2x}.

On calcule 2f(x)=2e2x2 f(x) = 2 e^{2x}.

On a bien f(x)=2f(x)f'(x) = 2 f(x), donc ff est solution.

Astuce

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 $y' = a y$

Règle

Soit aa un réel. Les solutions sur R\mathbb{R} de l'équation différentielle :

y=ayy' = a\,y

sont exactement les fonctions de la forme :

f(x)=Ceax,CR.f(x) = C\,e^{a x}, \qquad C \in \mathbb{R}.

La constante CC peut être n'importe quel réel : il y a donc une infinité de solutions. On vérifie : f(x)=Caeax=a(Ceax)=af(x)f'(x) = C \cdot a\,e^{ax} = a \cdot (C e^{ax}) = a f(x).

⭐ 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 ff quelconque et regardons la fonction auxiliaire g(x)=f(x)eaxg(x) = f(x)\,e^{-ax}. En la dérivant (règle du produit) : g(x)=f(x)eaxaf(x)eax=(f(x)af(x))eaxg'(x) = f'(x)e^{-ax} - a\,f(x)e^{-ax} = \big(f'(x) - a f(x)\big)e^{-ax}. Or ff est solution, donc f(x)=af(x)f'(x) = a f(x) et la parenthèse est nulle : g(x)=0g'(x) = 0 partout, donc gg est constante, égale à un certain CC. En remontant, f(x)=Ceaxf(x) = C\,e^{ax} : toute solution est forcément de cette forme, il ne peut pas y en avoir d'autres.

Méthode

Pour résoudre y=ayy' = ay :

  1. Identifie le coefficient aa.
  2. Écris directement la solution générale f(x)=Ceaxf(x) = C e^{ax}.
  3. Si une condition initiale est donnée, calcule CC (section suivante).
Exemple

Résolvons y=3yy' = 3y.

Ici a=3a = 3, donc les solutions sont :

f(x)=Ce3x,CR.f(x) = C\,e^{3x}, \qquad C \in \mathbb{R}.

Par exemple f(x)=5e3xf(x) = 5 e^{3x} est une solution (pour C=5C = 5), et la fonction nulle f(x)=0f(x) = 0 en est une autre (pour C=0C = 0).

Astuce

Le coefficient aa se retrouve tel quel dans l'exposant : y=ayy' = a y donne CeaxC e^{ax}. Ne le confonds pas avec le facteur CC qui, lui, est libre.

Problème de Cauchy (condition initiale)

Règle

Un problème de Cauchy consiste à résoudre une équation différentielle avec une condition initiale du type f(x0)=y0f(x_0) = y_0. Cette condition fixe la valeur de la constante CC : il existe alors une unique solution.

Pour y=ayy' = ay avec f(x0)=y0f(x_0) = y_0 : la solution générale est f(x)=Ceaxf(x) = C e^{ax} ; on impose f(x0)=y0f(x_0) = y_0 pour déterminer CC.

Méthode

Pour résoudre un problème de Cauchy :

  1. Écris la solution générale f(x)=Ceaxf(x) = C e^{ax}.
  2. Remplace xx par x0x_0 et écris l'équation Ceax0=y0C e^{a x_0} = y_0.
  3. Résous pour trouver CC, puis donne la solution unique.
Exemple

Résolvons y=2yy' = 2y avec f(0)=5f(0) = 5.

Solution générale : f(x)=Ce2xf(x) = C e^{2x}.

Condition initiale : f(0)=Ce0=C×1=C=5f(0) = C e^{0} = C \times 1 = C = 5, donc C=5C = 5.

L'unique solution est f(x)=5e2xf(x) = 5 e^{2x}. Vérification : f(0)=5e0=5f(0) = 5 e^0 = 5. Correct.

Astuce

Quand la condition est donnée en x0=0x_0 = 0, c'est facile : ea×0=e0=1e^{a \times 0} = e^0 = 1, donc C=y0C = y_0 directement.

Résolution de $y' = a y + b$

Règle

Pour a0a \neq 0 et bb réels, l'équation :

y=ay+by' = a\,y + b

admet une solution constante particulière ypy_p obtenue en posant y=0y' = 0 : 0=ayp+b0 = a y_p + b, donc yp=bay_p = -\dfrac{b}{a}.

Les solutions sont alors :

f(x)=Ceaxba,CR.f(x) = C\,e^{a x} - \dfrac{b}{a}, \qquad C \in \mathbb{R}.

Autrement dit, on ajoute à la solution générale de y=ayy' = ay la constante ba-\dfrac{b}{a}.

⭐ Pour les curieux — pourquoi ça marche ? L'astuce, c'est de glisser le repère sur la valeur d'équilibre. Posons z(x)=f(x)+baz(x) = f(x) + \dfrac{b}{a}, l'écart à l'équilibre ba-\dfrac{b}{a}. Comme ba\dfrac{b}{a} est une constante, z=fz' = f', et en remplaçant f=af+bf' = a f + b on trouve z=af+b=a(zba)+b=azz' = a f + b = a\big(z - \dfrac{b}{a}\big) + b = a z. La nouvelle inconnue zz obéit donc à l'équation simple z=azz' = a z, dont on connaît les solutions z=Ceaxz = C e^{ax}. On revient à f=zba=Ceaxbaf = z - \dfrac{b}{a} = C e^{ax} - \dfrac{b}{a} : la constante ba-\dfrac{b}{a} vient juste du décalage du repère.

Méthode

Pour résoudre y=ay+by' = ay + b :

  1. Cherche la solution constante : yp=bay_p = -\dfrac{b}{a}.
  2. Écris la solution générale f(x)=Ceaxbaf(x) = C e^{ax} - \dfrac{b}{a}.
  3. Utilise éventuellement une condition initiale pour fixer CC.
Exemple

Résolvons y=2y6y' = 2y - 6.

Ici a=2a = 2, b=6b = -6. Solution constante : yp=62=3y_p = -\dfrac{-6}{2} = 3.

Solution générale : f(x)=Ce2x+3f(x) = C e^{2x} + 3.

Vérification : f(x)=2Ce2xf'(x) = 2C e^{2x} et 2f(x)6=2(Ce2x+3)6=2Ce2x+66=2Ce2x2 f(x) - 6 = 2(C e^{2x} + 3) - 6 = 2C e^{2x} + 6 - 6 = 2 C e^{2x}. Égalité vérifiée.

Astuce

La solution particulière ba-\dfrac{b}{a} est la valeur d'équilibre : c'est vers elle que tend la fonction lorsque le terme CeaxC e^{ax} disparaît (si a<0a < 0).

Modélisation : refroidissement

Règle

De nombreux phénomènes (refroidissement, désintégration radioactive, charge d'un condensateur) se modélisent par une équation y=ay+by' = ay + b.

Loi de refroidissement de Newton : la température T(t)T(t) d'un corps vérifie T(t)=k(T(t)Tamb)T'(t) = -k\big(T(t) - T_{\text{amb}}\big), où TambT_{\text{amb}} est la température ambiante et k>0k > 0. En développant : T=kT+kTambT' = -kT + kT_{\text{amb}}, qui est de la forme y=ay+by' = ay + b avec a=ka = -k et b=kTambb = kT_{\text{amb}}. La température tend vers la valeur d'équilibre ba=Tamb-\dfrac{b}{a} = T_{\text{amb}}.

Méthode

Pour résoudre un problème de modélisation :

  1. Traduis l'énoncé en une équation y=ay+by' = ay + b.
  2. Trouve la solution générale CeaxbaC e^{ax} - \dfrac{b}{a}.
  3. Utilise la condition initiale (état à t=0t = 0) pour déterminer CC.
  4. Interprète : valeur d'équilibre, sens d'évolution.
Exemple

Un objet à T(0)=100° ⁣CT(0) = 100\,°\!C refroidit dans une pièce à 20° ⁣C20\,°\!C selon T=0,1(T20)T' = -0{,}1\,(T - 20).

On a a=0,1a = -0{,}1, b=2b = 2 (=0,1×20= 0{,}1 \times 20). Solution constante : ba=20,1=20-\dfrac{b}{a} = -\dfrac{2}{-0{,}1} = 20.

Solution générale : T(t)=Ce0,1t+20T(t) = C e^{-0{,}1 t} + 20. À t=0t=0 : T(0)=C+20=100T(0) = C + 20 = 100, donc C=80C = 80.

T(t)=80e0,1t+20.T(t) = 80\,e^{-0{,}1 t} + 20.

Quand t+t \to +\infty, e0,1t0e^{-0{,}1t} \to 0 et T(t)20° ⁣CT(t) \to 20\,°\!C : la température de la pièce, comme attendu.

Astuce

Vérifie toujours la cohérence physique : un corps qui refroidit doit tendre vers la température ambiante, jamais en dessous. Le signe a<0a < 0 garantit la convergence vers l'équilibre.

Croissance, décroissance et demi-vie

Règle

Selon le signe de aa, la solution f(x)=Ceaxf(x) = C e^{ax} (avec C>0C > 0) modélise une croissance ou une décroissance exponentielle :

• si a>0a > 0, ff est strictement croissante et f(x)+f(x) \to +\infty : croissance (population, capital placé) ; • si a<0a < 0, ff est strictement décroissante et f(x)0f(x) \to 0 : décroissance (désintégration radioactive, décharge d'un condensateur).

Pour une décroissance N(t)=N0eλtN(t) = N_0\,e^{-\lambda t} (λ>0\lambda > 0), la demi-vie TT est la durée au bout de laquelle la quantité a été divisée par 22. Elle vérifie eλT=12e^{-\lambda T} = \dfrac{1}{2}, d'où :

T=ln2λ.T = \dfrac{\ln 2}{\lambda}.

⭐ 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 tt et l'instant t+Tt + T, le rapport vaut N(t+T)N(t)=N0eλ(t+T)N0eλt=eλT\dfrac{N(t+T)}{N(t)} = \dfrac{N_0 e^{-\lambda(t+T)}}{N_0 e^{-\lambda t}} = e^{-\lambda T} : le N0N_0 se simplifie et le résultat ne dépend plus du tout de l'instant ni de la quantité présente. Si ce rapport vaut 12\dfrac{1}{2} (soit T=ln2λT = \dfrac{\ln 2}{\lambda}), alors chaque tranche de durée TT divise par deux ce qu'il reste : N0N02N04N08N_0 \to \dfrac{N_0}{2} \to \dfrac{N_0}{4} \to \dfrac{N_0}{8}\dots — qu'on parte d'un kilo ou d'un gramme.

Méthode

Pour exploiter une demi-vie :

  1. Écris la solution N(t)=N0eλtN(t) = N_0\,e^{-\lambda t}.
  2. La demi-vie TT vérifie N(T)=N02N(T) = \dfrac{N_0}{2}, soit eλT=12e^{-\lambda T} = \dfrac{1}{2}.
  3. Passe au logarithme : λT=ln2-\lambda T = -\ln 2, donc T=ln2λT = \dfrac{\ln 2}{\lambda} (et réciproquement λ=ln2T\lambda = \dfrac{\ln 2}{T}).
Exemple

Un échantillon radioactif suit N(t)=N0eλtN(t) = N_0\,e^{-\lambda t} avec λ=ln2\lambda = \ln 2 (en jours1^{-1}).

La demi-vie vaut T=ln2λ=ln2ln2=1T = \dfrac{\ln 2}{\lambda} = \dfrac{\ln 2}{\ln 2} = 1 jour.

Au bout de 11 jour, il reste donc la moitié des noyaux ; au bout de 22 jours, le quart, etc.

Astuce

La demi-vie ne dépend pas de la quantité initiale N0N_0 : elle ne dépend que de λ\lambda. C'est une propriété caractéristique de la décroissance exponentielle.

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