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Terminale Spé Maths / Chapitre 7 : Primitives et équations différentielles

Fiche 4 : fonctions solutions et démonstrations classiques

Sept exercices qui mêlent équations différentielles et études de fonctions :

  • fonction solution avec condition initiale ;
  • variations, limites, asymptotes, convexité ;
  • inégalités qui en découlent ;
  • primitive d'un produit ;
  • caractérisation de l'exponentielle (démonstration classique) ;
  • méthode d'Euler avec Python ;
  • vrai/faux.

Toutes les corrections sont rédigées comme on l'attend au bac :

  • équation résolue en entier ;
  • fonction étudiée avec dérivée factorisée ;
  • limites justifiées ;
  • tableau ;
  • conclusion.

💡 Le plan quand une fonction est « donnée par une équation différentielle »

  1. Résous l'équation et détermine la fonction avec sa condition initiale.
  2. Étudie-la comme n'importe quelle fonction : limites, dérivée, signe, tableau.
  3. Utilise l'équation elle-même pour simplifier : f′=af+bf'=af+b permet de lire f′f' à partir de ff.
  4. Déduis des inégalités et des asymptotes de l'étude.

⚠️ Les pièges classiques

  • Étudier la fonction avant d'avoir déterminé CC avec la condition initiale.
  • Oublier de citer l'équation quand elle donne directement f′(0)f'(0) (tangente).
  • Conclure à une asymptote sans écrire la limite de f(x)−(ax+b)f(x)-(ax+b).
  • Dans une démonstration, oublier de vérifier la condition initiale.

😄 Quand une équation différentielle te donne f′f' gratuitement, ne la rends pas : elle est comme un code promo, à utiliser au moins une fois par exercice.


Exercice 1 (★★★) : une solution qui tend vers une asymptote

Soit ff la solution de y′=−y+2y'=-y+2 vérifiant f(0)=0f(0)=0.

1. Déterminer ff.

2. Étudier ses variations et ses limites en −∞-\infty et en +∞+\infty.

3. Étudier sa convexité et déterminer la tangente en 00.

4. En déduire que, pour tout réel xx, e−x≥1−xe^{-x}\ge1-x.

✏️ Correction de l'exercice 1

Question 1

a=−1a=-1, b=2b=2, −ba=2-\dfrac ba=2. Solutions : y(x)=Ce−x+2y(x)=Ce^{-x}+2. f(0)=C+2=0f(0)=C+2=0, donc C=−2C=-2.

✅ f(x)=2−2e−xf(x)=2-2e^{-x}

Question 2

ff est dérivable sur R\R et f′(x)=2e−x>0f'(x)=2e^{-x}>0.

✅ ff est strictement croissante sur R\R.

En +∞+\infty, e−x→0e^{-x}\to0.

✅ lim⁡x→+∞f=2\lim_{x\to+\infty}f=2

La droite y=2y=2 est asymptote horizontale, et f(x)<2f(x)<2 pour tout xx.

En −∞-\infty, −x→+∞-x\to+\infty, donc e−x→+∞e^{-x}\to+\infty.

✅ lim⁡x→−∞f=−∞\lim_{x\to-\infty}f=-\infty

Question 3

f′′(x)=−2e−x<0f''(x)=-2e^{-x}<0

✅ ff est concave sur R\R.

La tangente en 00 a pour équation y=f(0)+f′(0)x=0+2xy=f(0)+f'(0)x=0+2x.

✅ y=2xy=2x

Question 4

Comme ff est concave, sa courbe est en dessous de sa tangente. f(x)≤2xf(x)\le2x pour tout xx, soit 2−2e−x≤2x2-2e^{-x}\le2x. Donc e−x≥1−xe^{-x}\ge1-x.

✅ Pour tout réel xx, e−x≥1−xe^{-x}\ge1-x.


Exercice 2 (★★★) : retrouver l'inégalité ex≥x+1e^x\ge x+1

Soit ff la solution de y′=y−xy'=y-x vérifiant f(0)=0f(0)=0.

Chercher une solution particulière de la forme y0(x)=px+qy_0(x)=px+q, puis déterminer ff. Étudier ff et en déduire que ex≥x+1e^x\ge x+1 pour tout xx.

✏️ Correction de l'exercice 2

Solution particulière

y0′=py_0'=p et y0−x=(p−1)x+qy_0-x=(p-1)x+q. L'égalité y0′=y0−xy_0'=y_0-x pour tout xx impose p−1=0p-1=0 et p=qp=q, donc p=q=1p=q=1.

✅ y0(x)=x+1y_0(x)=x+1

La fonction ff

Les solutions de y′=yy'=y sont CexCe^x. Donc les solutions sont y(x)=Cex+x+1y(x)=Ce^x+x+1. f(0)=C+1=0f(0)=C+1=0, donc C=−1C=-1.

✅ f(x)=x+1−exf(x)=x+1-e^x

Étude

f′(x)=1−exf'(x)=1-e^x. Positif si x<0x<0, négatif si x>0x>0 (car ex>1  ⟺  x>0e^x>1\iff x>0). Donc ff est strictement croissante sur ]−∞ ;0]]-\infty\,;0] et strictement décroissante sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[. Elle admet un maximum en 00 : f(0)=0f(0)=0.

En −∞-\infty : f(x)−(x+1)=−ex→0f(x)-(x+1)=-e^x\to0. La droite y=x+1y=x+1 est asymptote oblique à la courbe en −∞-\infty.

En +∞+\infty : f(x)=−ex(1−(x+1)e−x)f(x)=-e^x\left(1-(x+1)e^{-x}\right). Avec (x+1)e−x→0(x+1)e^{-x}\to0 (croissances comparées), f(x)→−∞f(x)\to-\infty.

L'inégalité

Le maximum de ff est 00 : f(x)≤0f(x)\le0 pour tout xx. Soit x+1−ex≤0x+1-e^x\le0.

✅ ex≥x+1e^x\ge x+1 pour tout réel xx.


Exercice 3 (★★★) : une solution, son minimum et son asymptote

Soit ff la solution de y′+y=xy'+y=x vérifiant f(0)=1f(0)=1.

1. Chercher une solution particulière de la forme px+qpx+q, puis déterminer ff.

2. Étudier les variations et les limites de ff. Déterminer son minimum.

3. Montrer que la droite d'équation y=x−1y=x-1 est asymptote à la courbe en +∞+\infty et étudier la position relative.

4. En déduire que f(x)>0f(x)>0 pour tout xx.

✏️ Correction de l'exercice 3

Question 1

L'équation s'écrit y′=−y+xy'=-y+x. Avec y0(x)=px+qy_0(x)=px+q : p=−px−q+xp=-px-q+x, soit (1−p)x−q−p=0(1-p)x-q-p=0 pour tout xx. Donc p=1p=1 et q=−p=−1q=-p=-1.

✅ y0(x)=x−1y_0(x)=x-1

Les solutions de y′=−yy'=-y sont Ce−xCe^{-x}. Donc y(x)=Ce−x+x−1y(x)=Ce^{-x}+x-1. f(0)=C−1=1f(0)=C-1=1, donc C=2C=2.

✅ f(x)=2e−x+x−1f(x)=2e^{-x}+x-1

Question 2

f′(x)=−2e−x+1f'(x)=-2e^{-x}+1. f′(x)>0  ⟺  e−x<12  ⟺  −x<−ln⁡2  ⟺  x>ln⁡2f'(x)>0\iff e^{-x}<\dfrac12\iff-x<-\ln2\iff x>\ln2. Donc ff est strictement décroissante sur ]−∞ ;ln⁡2]]-\infty\,;\ln2] et strictement croissante sur [ln⁡2 ;+∞[[\ln2\,;+\infty[.

Son minimum est f(ln⁡2)=2×12+ln⁡2−1f(\ln2)=2\times\dfrac12+\ln2-1.

✅ f(ln⁡2)=ln⁡2≈0,69f(\ln2)=\ln2\approx0{,}69

En −∞-\infty : 2e−x→+∞2e^{-x}\to+\infty et x−1→−∞x-1\to-\infty. On écrit f(x)=e−x(2+(x−1)ex)f(x)=e^{-x}\left(2+(x-1)e^x\right). Avec (x−1)ex→0(x-1)e^x\to0 (croissances comparées) :

✅ lim⁡x→−∞f=+∞\lim_{x\to-\infty}f=+\infty

En +∞+\infty : 2e−x→02e^{-x}\to0 et x−1→+∞x-1\to+\infty.

✅ lim⁡x→+∞f=+∞\lim_{x\to+\infty}f=+\infty

Question 3

f(x)−(x−1)=2e−x→0f(x)-(x-1)=2e^{-x}\to0 quand x→+∞x\to+\infty.

✅ La droite y=x−1y=x-1 est asymptote oblique à la courbe en +∞+\infty.

Comme 2e−x>02e^{-x}>0, la courbe est au-dessus de cette droite sur R\R.

Question 4

Le minimum de ff sur R\R est ln⁡2>0\ln2>0.

✅ Donc f(x)>0f(x)>0 pour tout réel xx.


Exercice 4 (★★★) : une primitive d'un produit et son application

1. Montrer que F(x)=−(2x+3)e−xF(x)=-(2x+3)e^{-x} est une primitive de f(x)=(2x+1)e−xf(x)=(2x+1)e^{-x} sur R\R.

2. Déterminer la primitive GG de ff qui s'annule en 00.

3. Étudier les variations de GG et sa limite en +∞+\infty.

✏️ Correction de l'exercice 4

Question 1

FF est dérivable sur R\R comme produit. F′(x)=−2e−x+(2x+3)e−x=(2x+1)e−x=f(x)F'(x)=-2e^{-x}+(2x+3)e^{-x}=(2x+1)e^{-x}=f(x).

✅ FF est une primitive de ff.

Question 2

Les primitives de ff sont F(x)+CF(x)+C. G(0)=F(0)+C=−3+C=0G(0)=F(0)+C=-3+C=0, donc C=3C=3.

✅ G(x)=3−(2x+3)e−xG(x)=3-(2x+3)e^{-x}

Question 3

G′=fG'=f et e−x>0e^{-x}>0. Donc G′(x)G'(x) est du signe de 2x+12x+1. G′<0G'<0 sur ]−∞ ;−12[\left]-\infty\,;-\dfrac12\right[ et G′>0G'>0 sur ]−12 ;+∞[\left]-\dfrac12\,;+\infty\right[.

✅ GG est strictement décroissante sur ]−∞ ;−12]\left]-\infty\,;-\dfrac12\right] et strictement croissante sur [−12 ;+∞[\left[-\dfrac12\,;+\infty\right[.

En +∞+\infty, par croissances comparées, (2x+3)e−x→0(2x+3)e^{-x}\to0.

✅ lim⁡G=3\lim G=3

La droite y=3y=3 est asymptote horizontale.


Exercice 5 (★★★) : caractériser l'exponentielle

Soit ff une fonction dérivable sur R\R telle que f′=ff'=f et f(0)=1f(0)=1.

1. On pose g(x)=f(x) f(−x)g(x)=f(x)\,f(-x). Montrer que gg est constante et que ff ne s'annule jamais.

2. Montrer que f(x)=exf(x)=e^x pour tout xx.

3. Pour yy fixé, montrer que f(x+y)=f(x) f(y)f(x+y)=f(x)\,f(y) pour tout xx.

✏️ Correction de l'exercice 5

Question 1

gg est dérivable sur R\R comme produit.

g′(x)=f′(x)f(−x)+f(x)×(−f′(−x))=f(x)f(−x)−f(x)f(−x)=0g'(x)=f'(x)f(-x)+f(x)\times(-f'(-x))=f(x)f(-x)-f(x)f(-x)=0

(car f′=ff'=f).

Donc gg est constante, égale à g(0)=f(0)2=1g(0)=f(0)^2=1. Ainsi f(x)f(−x)=1f(x)f(-x)=1 pour tout xx.

✅ f(x)≠0f(x)\neq0 pour tout xx.

Question 2

Comme f′=ff'=f, le théorème sur y′=ayy'=ay avec a=1a=1 donne f(x)=Cexf(x)=Ce^x. f(0)=C=1f(0)=C=1.

✅ Donc f(x)=exf(x)=e^x.

(C'est l'unicité de la fonction exponentielle.)

Question 3

Soit yy fixé, et h(x)=f(x+y)f(y)h(x)=\dfrac{f(x+y)}{f(y)}. (f(y)≠0f(y)\neq0 d'après la question 1.)

hh est dérivable et h′(x)=f′(x+y)f(y)=f(x+y)f(y)=h(x)h'(x)=\dfrac{f'(x+y)}{f(y)}=\dfrac{f(x+y)}{f(y)}=h(x). De plus h(0)=f(y)f(y)=1h(0)=\dfrac{f(y)}{f(y)}=1.

D'après l'unicité (question 2), h=fh=f. Donc f(x+y)f(y)=f(x)\dfrac{f(x+y)}{f(y)}=f(x).

✅ f(x+y)=f(x) f(y)f(x+y)=f(x)\,f(y)

On retrouve la propriété fondamentale : ex+y=ex eye^{x+y}=e^x\,e^y.


Exercice 6 (★★) : la méthode d'Euler avec Python

Pour approcher la solution de y′=f(y)y'=f(y) avec y(0)=y0y(0)=y_0, la méthode d'Euler de pas hh construit yk+1=yk+h f(yk)y_{k+1}=y_k+h\,f(y_k). On l'applique à y′=−yy'=-y et y(0)=1y(0)=1, dont la solution exacte est e−xe^{-x}.

1. Écrire une fonction Python euler(h, n) qui renvoie yny_n.

2. Calculer y10y_{10} pour h=0,1h=0{,}1 et y100y_{100} pour h=0,01h=0{,}01, et comparer avec e−1≈0,3679e^{-1}\approx0{,}3679.

✏️ Correction de l'exercice 6

Question 1

def euler(h, n):
    y = 1
    for k in range(n):
        y = y + h*(-y)
    return y

Comme yk+1=yk(1−h)y_{k+1}=y_k(1-h), la suite (yk)(y_k) est géométrique de raison 1−h1-h.

✅ yn=(1−h)ny_n=(1-h)^n

Question 2

Pour h=0,1h=0{,}1 et n=10n=10 : y10=0,910≈0,3487y_{10}=0{,}9^{10}\approx0{,}3487.

Pour h=0,01h=0{,}01 et n=100n=100 : y100=0,99100≈0,3660y_{100}=0{,}99^{100}\approx0{,}3660.

Ces deux valeurs approchent y(1)=e−1≈0,3679y(1)=e^{-1}\approx0{,}3679. L'écart est d'environ 0,0190{,}019 pour h=0,1h=0{,}1 et 0,00190{,}0019 pour h=0,01h=0{,}01.

✅ L'erreur est divisée par 1010 quand le pas est divisé par 1010 : c'est la méthode d'Euler, d'ordre 11.


Exercice 7 (★★) : vrai ou faux

Justifier chaque réponse :

1. La fonction x↦ex−xx\mapsto e^x-x est solution de y′=y+xy'=y+x.

2. Toute solution de y′=−y+2y'=-y+2 tend vers 22 en +∞+\infty.

3. Il existe une solution de y′=yy'=y qui prend la valeur 00 en 00 et la valeur 11 en 11.

4. Si ff est solution de y′=ay+by'=ay+b (a≠0a\neq0) et si f′(x0)=0f'(x_0)=0, alors f(x0)=−baf(x_0)=-\dfrac ba.

✏️ Correction de l'exercice 7

Affirmation 1

Pour y(x)=ex−xy(x)=e^x-x : y′(x)=ex−1y'(x)=e^x-1 et y(x)+x=exy(x)+x=e^x. Ces deux expressions diffèrent de 11 pour tout xx, donc yy n'est pas solution. (La fonction ex−x−1e^x-x-1 est, elle, solution de cette équation.)

❌ Faux.

Affirmation 2

Les solutions sont Ce−x+2Ce^{-x}+2. Elles tendent vers 22 quand x→+∞x\to+\infty.

✅ Vrai.

Affirmation 3

Les solutions de y′=yy'=y sont CexCe^x. Si y(0)=0y(0)=0, alors C=0C=0 et yy est nulle : y(1)=0≠1y(1)=0\neq1.

❌ Faux.

Affirmation 4

f′(x0)=af(x0)+b=0f'(x_0)=af(x_0)+b=0 donne f(x0)=−baf(x_0)=-\dfrac ba.

✅ Vrai.


🎯 Ce qui peut tomber au bac

  • Une fonction définie comme solution d'une équation différentielle, à étudier entièrement (exercices 1, 2, 3).
  • Une primitive d'un produit vérifiée, puis une fonction définie par cette primitive (exercice 4).
  • La démonstration des propriétés de l'exponentielle à partir de f′=ff'=f (exercice 5).
  • La méthode d'Euler avec un script Python (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

La solution de y′=−y+2y'=-y+2 s'écrit y=Ce−x+2y=Ce^{-x}+2. Avec y(0)=5y(0)=5, que vaut CC ?

Question 2 sur 10

Quelle est la limite en +∞+\infty de f(x)=3e−x+2f(x)=3e^{-x}+2 ?

Question 3 sur 10

Que peut-on dire du sens de variation de f(x)=3e−x+2f(x)=3e^{-x}+2 ?

Question 4 sur 10

La solution de y′=0,5 y+1y'=0{,}5\,y+1 s'écrit y=Ce0,5x−2y=Ce^{0{,}5x}-2. Avec y(0)=0y(0)=0, que vaut CC ?

Question 5 sur 10

Une équation y′=ay+by'=ay+b avec a≠0a\ne0 et une condition initiale y(x0)=y0y(x_0)=y_0 admet :

Question 6 sur 10

Dans l'exercice 1, avec ff solution de y′=−y+2y'=-y+2 et f(0)=0f(0)=0, quelle inégalité en déduit-on pour tout réel xx ?

Question 7 sur 10

Dans l'exercice 2, quelle solution particulière y0(x)=px+qy_0(x)=px+q cherche-t-on pour y′=y−xy'=y-x ?

Question 8 sur 10

Dans l'exercice 3, avec ff solution de y′+y=xy'+y=x et f(0)=1f(0)=1, quel est le minimum de ff ?

Question 9 sur 10

Dans l'exercice 5 (caractérisation de l'exponentielle), en posant g(x)=f(x)f(−x)g(x)=f(x)f(-x) avec f′=ff'=f et f(0)=1f(0)=1, que montre-t-on ?

Question 10 sur 10

Dans l'exercice 6 (méthode d'Euler pour y′=−yy'=-y, y(0)=1y(0)=1), quelle est l'expression de yny_n en fonction du pas hh ?

Un doute sur ce chapitre ? On en parle ensemble, sans engagement.

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