Terminale Spé Maths / Chapitre 7 : Primitives et équations différentielles
Fiche 2 : les équations y' = ay et y' = ay + b
Dix exercices pour maîtriser les équations différentielles du premier ordre à coefficients constants :
- mise sous forme réduite ;
- solutions générales ;
- condition initiale ;
- retrouver l'équation d'une fonction donnée ;
- comportement à l'infini ;
- tangente ;
- démonstration du théorème ;
- vrai/faux.
Toutes les corrections sont rédigées comme on l'attend au bac :
- équation mise sous la forme y′=ay+b ;
- a et b identifiés ;
- solution générale écrite avec C∈R ;
- condition initiale appliquée à la solution générale ;
- vérification.
💡 Le modèle de rédaction d'une équation différentielle
« L'équation équivaut à y′=−2y+4.
Elle est de la forme y′=ay+b avec a=−2 et b=4.
La fonction constante −ab=2 est solution particulière.
Les solutions sont les fonctions y(x)=Ce−2x+2, avec C∈R.
La condition y(0)=5 donne C+2=5, soit C=3.
Donc y(x)=3e−2x+2. »
- Mets d'abord l'équation sous la forme y′=ay+b.
- La solution constante est −ab.
- Applique la condition initiale à la solution générale, pour trouver C.
⚠️ Les pièges classiques
- Lire a et b sans avoir réduit l'équation (2y′+6y=8 devient y′=−3y+4).
- Écrire Ceax+ab au lieu de −ab.
- Oublier « C∈R » ou remplacer C avant d'avoir la solution générale complète.
- Confondre une solution avec toutes les solutions.
😄 Une équation différentielle sans « +C », c'est un menu où l'on ne t'a servi qu'un seul plat : c'est peut-être bon, mais ce n'est pas la carte.
Exercice 1 (★) : l'équation y′=ay
Résoudre sur R :
1. y′=3y
2. y′=−2y
3. 2y′+5y=0
4. y′=0
✏️ Correction de l'exercice 1
Méthode
Les solutions de y′=ay sur R sont les fonctions x↦Ceax, avec C∈R.
Question 1
a=3.
✅ y(x)=Ce3x, C∈R
Question 2
a=−2.
✅ y(x)=Ce−2x, C∈R
Question 3
2y′+5y=0 équivaut à y′=−25y. Donc a=−25.
✅ y(x)=Ce−5x/2, C∈R
Question 4
y′=0 correspond à a=0.
✅ y(x)=C : les fonctions constantes.
Exercice 2 (★) : avec une condition initiale
Déterminer la solution de chaque équation vérifiant la condition :
1. y′=2y, y(0)=3
2. y′=−y, y(1)=2
3. y′=2y, y(2)=1
✏️ Correction de l'exercice 2
Question 1
Les solutions sont y(x)=Ce2x. y(0)=C=3.
✅ y(x)=3e2x
Question 2
Les solutions sont y(x)=Ce−x. y(1)=Ce−1=2, donc C=2e. y(x)=2e×e−x.
✅ y(x)=2e1−x
Question 3
Les solutions sont y(x)=Cex/2. y(2)=Ce=1, donc C=e−1.
✅ y(x)=ex/2−1
Exercice 3 (★) : l'équation y′=ay+b
Résoudre sur R :
1. y′=2y+6
2. y′=−3y+9
3. y′+y=4
4. 2y′−4y=8
✏️ Correction de l'exercice 3
Méthode
Pour a=0, les solutions de y′=ay+b sont x↦Ceax−ab, avec C∈R.
Question 1
a=2, b=6, −ab=−3.
✅ y(x)=Ce2x−3
Question 2
a=−3, b=9, −ab=3.
✅ y(x)=Ce−3x+3
Question 3
y′+y=4 équivaut à y′=−y+4. a=−1, b=4, −ab=4.
✅ y(x)=Ce−x+4
Question 4
2y′−4y=8 équivaut à y′=2y+4. a=2, b=4, −ab=−2.
✅ y(x)=Ce2x−2
Exercice 4 (★★) : y′=ay+b avec condition initiale
Déterminer la solution vérifiant la condition :
1. y′=−2y+4, y(0)=5
2. y′=0,5y−1, y(0)=0
3. y′+3y=6, y(1)=0
✏️ Correction de l'exercice 4
Question 1
a=−2, b=4, −ab=2. Solutions : y(x)=Ce−2x+2. y(0)=C+2=5, donc C=3.
✅ y(x)=3e−2x+2
Question 2
a=0,5, b=−1, −ab=2. Solutions : y(x)=Cex/2+2. y(0)=C+2=0, donc C=−2.
✅ y(x)=2−2ex/2
Vérification : y′(x)=−ex/2 et 0,5y(x)−1=1−ex/2−1=−ex/2 ✓
Question 3
y′+3y=6 équivaut à y′=−3y+6. a=−3, b=6, −ab=2. Solutions : y(x)=Ce−3x+2. y(1)=Ce−3+2=0, donc C=−2e3. y(x)=2−2e3e−3x.
✅ y(x)=2−2e3−3x
Exercice 5 (★★) : retrouver l'équation
La fonction f définie sur R par f(x)=3e2x−1 est solution d'une équation y′=ay+b. Déterminer a et b.
✏️ Correction de l'exercice 5
f′(x)=6e2x.
On cherche a et b tels que, pour tout x :
6e2x=a(3e2x−1)+b=3ae2x−a+b
En identifiant : 3a=6 et −a+b=0, donc a=2 et b=2.
✅ La fonction f est solution de y′=2y+2.
Vérification : 2f(x)+2=6e2x−2+2=6e2x=f′(x) ✓
Exercice 6 (★★★) : démontrer le théorème
1. Soit y une fonction dérivable sur R telle que y′=ay. En considérant g(x)=y(x)e−ax, montrer que y(x)=Ceax.
2. Montrer qu'il existe une unique fonction f dérivable sur R telle que f′=f et f(0)=1.
3. Montrer que si une solution de y′=ay s'annule en un point, elle est nulle sur R.
✏️ Correction de l'exercice 6
Question 1
La fonction g est dérivable sur R comme produit.
g′(x)=y′(x)e−ax−ay(x)e−ax=(y′(x)−ay(x))e−ax=0
car y′=ay.
Donc g est constante sur R : il existe C∈R tel que y(x)e−ax=C pour tout x.
✅ y(x)=Ceax
Question 2
Existence : la fonction exponentielle vérifie exp′=exp et exp(0)=1.
Unicité : si f′=f et f(0)=1, la question 1 avec a=1 donne f(x)=Cex. Alors f(0)=C=1, donc f(x)=ex.
✅ L'unique solution est l'exponentielle.
Question 3
D'après la question 1, y(x)=Ceax. Si y(x0)=0 pour un x0, alors Ceax0=0. Donc C=0 (une exponentielle ne s'annule pas). Alors y(x)=0 pour tout x.
✅ Une solution de y′=ay est soit identiquement nulle, soit jamais nulle.
Exercice 7 (★★) : équilibre et comportement à l'infini
Pour chacune des équations :
(E1) y′=−2y+4
(E2) y′=2y+4
déterminer la solution constante, la solution générale, et la limite en +∞ des solutions.
✏️ Correction de l'exercice 7
Équation (E1)
a=−2, b=4. La solution constante est −ab=2 (car −2×2+4=0). Solutions : y(x)=2+Ce−2x.
Comme −2<0, e−2x→0 quand x→+∞.
✅ Toutes les solutions tendent vers 2 : l'équilibre est stable.
Équation (E2)
a=2, b=4. La solution constante est −ab=−2. Solutions : y(x)=−2+Ce2x.
Comme 2>0, e2x→+∞.
Si C>0, y(x)→+∞. Si C<0, y(x)→−∞. Si C=0, y est constante égale à −2.
✅ Les solutions s'éloignent de l'équilibre : il est instable.
Exercice 8 (★★) : tangente à une solution
Soit f la solution de y′=y−2 vérifiant f(0)=3. Déterminer f, puis l'équation de la tangente à sa courbe au point d'abscisse 0.
✏️ Correction de l'exercice 8
La fonction f
a=1, b=−2, la solution constante est −ab=2. Solutions : y(x)=Cex+2. f(0)=C+2=3, donc C=1.
✅ f(x)=ex+2
Vérification : f′(x)=ex et f(x)−2=ex ✓
La tangente en 0
f(0)=3. f′(0)=e0=1 (ou f′(0)=f(0)−2=1, directement grâce à l'équation). Équation : y=3+1(x−0).
✅ y=x+3
Exercice 9 (★★★) : changement de fonction
On considère :
(E) : y′=2y+1
(E0) : z′=2z
1. Montrer que y est solution de (E) si et seulement si z=y+21 est solution de (E0).
2. En déduire les solutions de (E), puis la solution vérifiant y(0)=0.
✏️ Correction de l'exercice 9
Question 1
Soit y une fonction dérivable et z=y+21. Alors z′=y′.
y est solution de (E)
⟺y′=2y+1
⟺z′=2(z−21)+1=2z
⟺z est solution de (E0). ✓
Question 2
Les solutions de (E0) sont z(x)=Ce2x. Donc les solutions de (E) sont y(x)=z(x)−21.
✅ y(x)=Ce2x−21, C∈R
La condition y(0)=0 donne C−21=0, soit C=21.
✅ y(x)=2e2x−1
Vérification : y′(x)=e2x et 2y(x)+1=e2x−1+1=e2x ✓
Exercice 10 (★★) : vrai ou faux
Justifier chaque réponse :
1. La seule solution de y′=y qui s'annule en 0 est la fonction nulle.
2. Si y est solution de y′=ay, alors y2 est solution de z′=2az.
3. Pour a=0, l'équation y′=ay+b admet une solution constante.
4. Toutes les solutions de y′=2y sont croissantes.
5. La somme de deux solutions de y′=ay+b (b=0) est solution de la même équation.
6. La somme de deux solutions de y′=ay est solution de y′=ay.
✏️ Correction de l'exercice 10
Affirmation 1
Les solutions sont Cex. Ce0=0 impose C=0.
✅ Vrai.
Affirmation 2
(y2)′=2yy′=2y(ay)=2ay2.
✅ Vrai.
Affirmation 3
La fonction constante −ab est solution : sa dérivée est nulle et a(−ab)+b=0.
✅ Vrai.
Affirmation 4
Les solutions sont Ce2x. Si C<0, la fonction est décroissante (par exemple −e2x).
❌ Faux.
Affirmation 5
Si y1 et y2 sont solutions : (y1+y2)′=a(y1+y2)+2b. Ce qui est différent de a(y1+y2)+b si b=0.
❌ Faux.
Affirmation 6
(y1+y2)′=ay1+ay2=a(y1+y2).
✅ Vrai.
🎯 Ce qui peut tomber au bac sur y′=ay+b
- La résolution avec mise sous forme réduite (exercices 1 et 3).
- La solution avec condition initiale (exercices 2 et 4).
- Une étude de la solution : limite, équilibre, tangente (exercices 7 et 8).
- Le changement de fonction z=y+ab (exercice 9).
- La démonstration du théorème avec g(x)=y(x)e−ax (exercice 6).
QCM : vérifie tes acquis
10 questions, une seule bonne réponse chacune. Choisis une réponse : la correction s'affiche tout de suite. Ton score est enregistré dans Mon espace.
Question 1 sur 10
Quelles sont les solutions de y′=3y ?
Les solutions de y′=ay sont les fonctions x↦Ceax.
Question 2 sur 10
Quelle est la solution de y′=−2y avec y(0)=5 ?
y=Ce−2x et y(0)=C=5.
Question 3 sur 10
Quel est l'ensemble des solutions de y′=2y+6 ?
La solution constante vérifie 0=2y+6, soit y=−3. On ajoute Ce2x.
Question 4 sur 10
Quelle est la solution constante de y′=−y+4 ?
Une constante a une dérivée nulle : 0=−y+4, donc y=4.
Question 5 sur 10
La solution de y′=2y vérifiant y(1)=e2 est :
y=Ce2x et y(1)=Ce2=e2 donne C=1.
Question 6 sur 10
Dans l'exercice 2, quelle est la solution de y′=−y vérifiant y(1)=2 ?
y(x)=Ce−x et y(1)=Ce−1=2 donne C=2e, donc y(x)=2ee−x=2e1−x.
Question 7 sur 10
Dans l'exercice 3, quel est l'ensemble des solutions de y′+y=4 sur R ?
C'est y′=−y+4 : solution générale Ce−x plus la solution constante 4.
Question 8 sur 10
Dans l'exercice 5, la fonction f(x)=3e2x−1 est solution de quelle équation y′=ay+b ?
f′(x)=6e2x=2(3e2x−1)+2=2f(x)+2 : donc a=2 et b=2.
Question 9 sur 10
Dans l'exercice 7, pour l'équation y′=−2y+4, que dit-on de l'équilibre (la solution constante 2) ?
La partie exponentielle Ce−2x tend vers 0 (car a=−2<0), donc toutes les solutions se rapprochent de la constante 2.
Question 10 sur 10
Dans l'exercice 9, en posant z=y+21, l'équation y′=2y+1 devient z′=2z. Quelle est la solution de y′=2y+1 vérifiant y(0)=0 ?
z(x)=Ce2x et z(0)=y(0)+21=21 donne C=21, donc y(x)=21e2x−21.