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Tle complémentaires · Chapitre 5 · Analyse

Primitives et équations différentielles

30 exercices corrigésCours mis à jour le

Cours

À quoi ça sert ?

Souvent, on ne connaît pas directement une grandeur, mais sa vitesse de variation : un café refroidit d'autant plus vite qu'il est chaud, une population croît d'autant plus vite qu'elle est nombreuse, un parachutiste accélère moins quand il va vite. Retrouver la grandeur à partir de sa dérivée, c'est chercher une primitive ou résoudre une équation différentielle. Avec ce chapitre, tu sauras :

  • trouver une primitive d'une fonction usuelle, et celle qui vérifie une condition ;
  • résoudre les équations \(y' = ay\) et \(y' = ay + b\) ;
  • modéliser une évolution (refroidissement, perfusion, chute, population) et en tirer des prévisions.

1 Primitives

Dériver, c'est passer de la position à la vitesse. Chercher une primitive, c'est faire le chemin inverse.

Définition

Soit \(f\) une fonction définie sur un intervalle \(I\). Une primitive de \(f\) sur \(I\) est une fonction \(F\) dérivable sur \(I\) telle que \(F' = f\).

Propriétés
  • si \(F\) est une primitive de \(f\), les primitives de \(f\) sont les fonctions \(x \mapsto F(x) + C\), où \(C\) est une constante réelle ;
  • pour un réel \(x_0\) de \(I\) et un réel \(y_0\), il existe une seule primitive \(F\) telle que \(F(x_0) = y_0\).
Pourquoi deux primitives diffèrent-elles d'une constante ?

L'idée en une phrase : leur différence a une dérivée nulle.

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Étape 1 — La différence. Si \(F' = f\) et \(G' = f\), alors \((G - F)' = f - f = 0\).

Étape 2 — Conclure. Une fonction de dérivée nulle sur un intervalle est constante : \(G = F + C\) ✓.

Exemple guidé

Trouver la primitive \(F\) de \(f(x) = 3x^2 - 4x + 1\) telle que \(F(1) = 2\).

Étape 1 — Une primitive. \(x^3\) a pour dérivée \(3x^2\), \(-2x^2\) a pour dérivée \(-4x\) : \(F(x) = x^3 - 2x^2 + x + C\).

Étape 2 — La condition. \(F(1) = 1 - 2 + 1 + C = C\), donc \(C = 2\).

Conclusion : \(\boxed{F(x) = x^3 - 2x^2 + x + 2}\).

🔍 Vérification : \(F'(x) = 3x^2 - 4x + 1 = f(x)\) et \(F(1) = 2\) ✓.

Erreurs fréquentes
  • ❌ Oublier la constante \(C\). ✅ Une fonction a une infinité de primitives.
  • ❌ Vérifier en intégrant de nouveau. ✅ On vérifie en dérivant la primitive trouvée.
À toi !

Donne toutes les primitives de \(f(x) = 6x^2 + 2x - 5\).

Voir la réponseMasquer la réponse

\(F(x) = 2x^3 + x^2 - 5x + C\), \(C\) réel.

À retenir

\(F' = f\) ; primitives \(= F + C\) ; une condition \(F(x_0) = y_0\) fixe la constante ; on vérifie en dérivant.

2 Primitives usuelles

On lit le tableau des dérivées « à l'envers ».

Tableau

(\(C\) est une constante) :

\(f(x)\) Une primitive \(F(x)\) Intervalle
\(k\) (constante) \(kx\) \(\mathbb{R}\)
\(x^n\) (\(n \neq -1\)) \(\dfrac{x^{n+1}}{n + 1}\) \(\mathbb{R}\) (ou \(]0 \,;\, +\infty[\) si \(n < 0\))
\(\dfrac{1}{x^2}\) \(-\dfrac{1}{x}\) \(]0 \,;\, +\infty[\)
\(\dfrac{1}{x}\) \(\ln x\) \(]0 \,;\, +\infty[\)
\(e^x\) \(e^x\) \(\mathbb{R}\)
\(e^{ax + b}\) (\(a \neq 0\)) \(\dfrac{1}{a}e^{ax + b}\) \(\mathbb{R}\)
\(\dfrac{1}{ax + b}\) (\(a \neq 0\)) \(\dfrac{1}{a}\ln(ax + b)\) là où \(ax + b > 0\)

Linéarité : une primitive de \(f + g\) est \(F + G\) ; une primitive de \(kf\) est \(kF\).

Exemple guidé

Étape 1 — Une exponentielle. \(f(x) = e^{2x}\) : \(F(x) = \dfrac{1}{2}e^{2x}\).

Étape 2 — Un inverse. \(g(x) = \dfrac{4}{2x + 1}\) sur \(]-\tfrac{1}{2} \,;\, +\infty[\) : \(G(x) = 4 \times \dfrac{1}{2}\ln(2x + 1) = 2\ln(2x + 1)\).

🔍 Vérification : \(G'(x) = 2 \times \dfrac{2}{2x + 1} = \dfrac{4}{2x + 1}\) ✓.

Erreurs fréquentes
  • ❌ Une primitive de \(e^{2x}\) est \(e^{2x}\). ✅ Il faut diviser par \(2\) : \(\dfrac{1}{2}e^{2x}\).
  • ❌ Une primitive de \(\dfrac{1}{x^2}\) est \(\ln(x^2)\). ✅ C'est \(-\dfrac{1}{x}\).
À toi !

Donne une primitive de \(f(x) = x^2 + \dfrac{1}{x^2}\) sur \(]0 \,;\, +\infty[\).

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\(F(x) = \dfrac{x^3}{3} - \dfrac{1}{x}\).

À retenir

\(x^n \to \dfrac{x^{n+1}}{n + 1}\) ; \(\dfrac{1}{x} \to \ln x\) ; \(e^{ax + b} \to \dfrac{1}{a}e^{ax + b}\) ; toujours vérifier en dérivant.

3 L'équation y' = ay

Quand la vitesse de variation d'une grandeur est proportionnelle à la grandeur elle-même, on obtient la plus simple des équations différentielles.

Définition

Une équation différentielle est une équation dont l'inconnue est une fonction \(y\), et qui relie \(y\) et sa dérivée \(y'\). Une solution est une fonction dérivable qui vérifie l'équation pour tout \(x\).

Théorème

Soit \(a\) un réel. Les solutions de \(y' = ay\) sont les fonctions \(x \mapsto C\,e^{ax}\), où \(C\) est une constante réelle. Pour tous réels \(x_0\) et \(y_0\), il en existe une seule telle que \(y(x_0) = y_0\).

Pourquoi \(C\,e^{ax}\) est-elle solution ?

L'idée en une phrase : on dérive.

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Étape 1 — Dériver. Si \(y = C\,e^{ax}\), alors \(y' = C \times a\,e^{ax} = a \times C\,e^{ax} = ay\) ✓.

Étape 2 — Il n'y en a pas d'autre. Si \(y\) est une solution, la fonction \(h(x) = y(x)\,e^{-ax}\) a pour dérivée \(y'e^{-ax} - a\,y\,e^{-ax} = (y' - ay)e^{-ax} = 0\) : \(h\) est constante, égale à \(C\), et \(y = C\,e^{ax}\) (exercice 26).

Exemple guidé

Résoudre \(y' = -0{,}5y\) avec \(y(0) = 8\).

Étape 1 — Les solutions. \(y(x) = C\,e^{-0{,}5x}\).

Étape 2 — La condition. \(y(0) = C = 8\).

Conclusion : \(\boxed{y(x) = 8e^{-0{,}5x}}\).

🔍 Vérification : \(y'(x) = -4e^{-0{,}5x} = -0{,}5 \times 8e^{-0{,}5x}\) ✓.

Erreurs fréquentes
  • ❌ Écrire \(y = e^{ax} + C\). ✅ La constante multiplie : \(y = C\,e^{ax}\).
  • ❌ Confondre \(y' = ay\) (proportionnel à \(y\)) et \(y' = a\) (dérivée constante, \(y = ax + C\)).
À toi !

Résous \(y' = 3y\) avec \(y(0) = 2\).

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\(y(x) = 2e^{3x}\).

À retenir

\(y' = ay \iff y = C\,e^{ax}\) ; la condition initiale donne \(C\).

4 L'équation y' = ay + b

On ajoute un apport (ou une perte) constant : c'est le modèle continu des suites arithmético-géométriques du chapitre 1.

Théorème

Soient \(a \neq 0\) et \(b\) deux réels. Les solutions de \(y' = ay + b\) sont les fonctions \[x \mapsto C\,e^{ax} - \frac{b}{a}, \quad C \text{ réel}.\] La fonction constante \(y = -\dfrac{b}{a}\) est la solution d'équilibre. Si \(a < 0\), toutes les solutions tendent vers cet équilibre.

Pourquoi ?

L'idée en une phrase : l'écart à l'équilibre vérifie \(y' = ay\).

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Étape 1 — L'équilibre. La constante \(\ell = -\dfrac{b}{a}\) vérifie \(0 = a\ell + b\) : c'est une solution.

Étape 2 — L'écart. Si \(y\) est solution, \(z = y - \ell\) vérifie \(z' = y' = ay + b = a(z + \ell) + b = az\). Donc \(z = C\,e^{ax}\) et \(y = C\,e^{ax} + \ell\) ✓.

Exemple guidé — le café

Un café à \(90\) °C refroidit dans une pièce à \(20\) °C. Sa température vérifie \(T' = -0{,}05(T - 20)\), soit \(T' = -0{,}05\,T + 1\).

Étape 1 — L'équilibre. \(-\dfrac{b}{a} = -\dfrac{1}{-0{,}05} = 20\) : la température de la pièce.

Étape 2 — Les solutions. \(T(t) = C\,e^{-0{,}05t} + 20\).

Étape 3 — La condition. \(T(0) = C + 20 = 90\), donc \(C = 70\).

Conclusion : \(\boxed{T(t) = 20 + 70\,e^{-0{,}05t}}\) : c'est la fonction étudiée aux chapitres 2 et 4.

🔍 Vérification : \(T'(t) = -3{,}5\,e^{-0{,}05t}\) et \(-0{,}05(T - 20) = -0{,}05 \times 70e^{-0{,}05t} = -3{,}5\,e^{-0{,}05t}\) ✓.

Erreurs fréquentes
  • ❌ Écrire l'équilibre \(\dfrac{b}{a}\). ✅ C'est \(-\dfrac{b}{a}\) : on résout \(ay + b = 0\).
  • ❌ Utiliser la condition initiale avant d'ajouter l'équilibre. ✅ On écrit toute la solution, puis on calcule \(C\).
À toi !

Résous \(y' = 2y - 6\) avec \(y(0) = 5\).

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Équilibre \(3\), donc \(y = C\,e^{2x} + 3\) ; \(y(0) = C + 3 = 5\) donne \(C = 2\) : \(y(x) = 2e^{2x} + 3\).

À retenir

\(y' = ay + b \iff y = C\,e^{ax} - \dfrac{b}{a}\) ; équilibre \(-\dfrac{b}{a}\) ; si \(a < 0\), convergence vers l'équilibre.

5 Modéliser avec une équation différentielle

Méthode
  1. traduire la phrase « la vitesse de variation de … est … » par une équation \(y' = \ldots\) ;
  2. résoudre, puis utiliser la condition initiale ;
  3. répondre aux questions (valeur à un instant, limite, instant où un seuil est atteint, avec \(\ln\)).
Exemple guidé — une perfusion

Un patient reçoit \(4\) mg de médicament par heure, et son corps élimine \(20\,\%\) par heure de la quantité présente. La quantité \(Q\) (en mg) vérifie \(Q' = -0{,}2\,Q + 4\), avec \(Q(0) = 0\).

Étape 1 — Résoudre. Équilibre \(-\dfrac{4}{-0{,}2} = 20\), donc \(Q(t) = C\,e^{-0{,}2t} + 20\), et \(Q(0) = 0\) donne \(C = -20\) : \(Q(t) = 20 - 20e^{-0{,}2t}\).

Étape 2 — À long terme. \(e^{-0{,}2t} \to 0\), donc \(Q(t) \to 20\) mg.

Étape 3 — Un seuil. \(Q(t) = 10 \iff e^{-0{,}2t} = 0{,}5 \iff t = \dfrac{\ln 2}{0{,}2} = 5\ln 2 \approx 3{,}5\) h.

🔍 Vérification : la moitié de l'équilibre est atteinte au bout d'une « demi-vie » \(\dfrac{\ln 2}{0{,}2}\), comme au chapitre 4 ✓.

Erreurs fréquentes
  • ❌ « Elle élimine \(20\,\%\) » traduit par \(Q' = 0{,}2Q\). ✅ Une perte se traduit par un signe moins : \(-0{,}2\,Q\).
À toi !

Dans un modèle de chute, \(v' = 9{,}8 - 0{,}2v\) et \(v(0) = 0\). Quelle est la vitesse limite ?

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L'équilibre \(-\dfrac{9{,}8}{-0{,}2} = 49\) m/s ; \(v(t) = 49 - 49e^{-0{,}2t} \to 49\) m/s.

À retenir

Traduire, résoudre, condition initiale, puis interpréter (limite = équilibre ; seuil = équation avec \(\ln\)).


Questions fréquentes

C'est quoi une primitive d'une fonction ?

C'est une fonction \(F\) dont la dérivée est \(f\). Une fonction a une infinité de primitives, qui diffèrent toutes d'une constante ; une condition comme \(F(0) = 3\) permet d'en choisir une seule.

Voir dans le cours : 1. Primitives

Comment trouver une primitive de e^(ax+b) ?

On divise par le coefficient \(a\) : une primitive de \(e^{ax + b}\) est \(\dfrac{1}{a}e^{ax + b}\). On vérifie toujours en dérivant le résultat.

Voir dans le cours : 2. Primitives usuelles

Comment résoudre une équation différentielle y' = ay ?

Les solutions sont les fonctions \(y = C\,e^{ax}\), où \(C\) est une constante. On trouve \(C\) grâce à la condition initiale : par exemple, si \(y(0) = 4\), alors \(C = 4\).

Voir dans le cours : 3. L'équation y' = ay

Comment résoudre une équation différentielle y' = ay + b ?

On cherche d'abord la solution constante \(-\dfrac{b}{a}\), puis on écrit \(y = C\,e^{ax} - \dfrac{b}{a}\). La condition initiale donne la constante \(C\).

Voir dans le cours : 4. L'équation y' = ay + b

Comment traduire un énoncé en équation différentielle ?

« La vitesse de variation de \(y\) » se traduit par \(y'\). Une perte proportionnelle à la quantité donne un terme \(-k\,y\), un apport constant donne un terme \(+b\) : par exemple \(y' = -0{,}1\,y + 5\).

Voir dans le cours : 5. Modéliser avec une équation différentielle

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