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Terminale S Exercices équations différentielles 2011-2012 1 Exercice 1 : équati

Terminale S Exercices équations différentielles 2011-2012 1 Exercice 1 : équation différentielle et fonction exponentielle Partie A On considère l'équation différentielle (E) : y' + y = e-x. 1) Démontrer que la fonction u définie sur l'ensemble Y par u(x) = xe-x est une solution de (E). 2) Résoudre l'équation différentielle (E0) : y' + y = 0. 3) Démontrer qu'une fonction v, définie et dérivable sur Y, est solution de (E) si, et seulement si, v – u est solution de (E0). 4) En déduire toutes les solutions de (E). 5) Déterminer la fonction f2 solution de (E), qui prend la valeur 2 en 0. Partie B k étant un nombre réel donné, on note fk la fonction définie sur l'ensemble Y par fk(x) = (x + k)e-x. On note k la courbe représentative de la fonction fk dans un repère O 1) Déterminer les limites de fk en - ∞ et + ∞. 2) Calculer f'k(x) pour tout x réel. 3) En déduire le tableau de variations de fk. 4) Le graphique ci-dessous représente une courbe k qui est la représentation d'une fonction fk. A l'aide des renseignements donnés par le graphique, déterminer la valeur du nombre réel k correspondant. Terminale S Exercices équations différentielles 2011-2012 2 Exercice 2 : charge d'un condensateur On considère le montage électrique représenté par le schéma ci-dessous : Le condensateur de capacité C = 4×10-4 F (farads) est monté en série avec un générateur dont la tension aux bornes est E = 6 V et un conducteur ohmique de résistance R = 88 Ω (ohms). A l'instant initial le condensateur est déchargé et la tension est nulle à ses bornes. On ferme le circuit, et on s'intéresse à l'évolution de la tension uc aux bornes du condensateur. D'après la loi d'Ohm et la loi d'addition des tensions, la tension uc aux bornes du condensateur vérifie l'équation différentielle : E = R×C×duc dt + uc. où t est le temps en secondes. 1) Ecrire une l'équation sous la forme y' = ay + b. 2) Résoudre cette équation en tenant compte des conditions initiales. 3) Donner la valeur de uc au bout de 100 ms. Exercice 3 : Etude de calculs de Daniel Bernoulli Au XVIIIe siècle, Daniel Bernoulli étudie l'impact de la variole sur une population initiale S(0). A un instant donné t, il considère que le nombre S(t) de personnes non décédées (fourni par les tables de mortalité) et le nombre M(t) des personnes susceptibles d'avoir la variole. En utilisant les hypothèses de Bernoulli et en supposant que le nombre de décès pour d'autres causes que la variole est, à un instant donné, proportionnel (coefficient k(t) à la population concernée), on admettra que l'on peut modéliser la situation par les deux équations suivantes : S'(t) = - 1 64M(t) –k(t)S(t) et M'(t) = - 1 8M(t) – k(t)M(t), avec S(0) = M(0) 1) On considère la fonction f telle que f(t) = M(t) S(t). Que représente f(t) ? C E R Terminale S Exercices équations différentielles 2011-2012 3 Démontrer que f'(t) = - 1 8f(t) + 1 64[f(t)]² et f(0) = 1. 2) On considère la fonction g telle que, g(t) = 1 f(t). Démontrer que g'(t) = 1 8×g(t) – 1 64 et g(0) = 1. En déduire les expressions de g(t) puis de f(t). 3) On trouve dans l'ouvrage de Bernoulli, une table dont on peut extraire le tableau suivant. Vérifier la pertinence de la modélisation proposée. Année : t 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Survivants : S(t) 1300 1000 855 798 760 732 710 692 680 Susceptibles d'avoir la variole : M(t) 1300 896 685 571 485 416 359 311 271 t 9 10 11 12 13 14 15 16 17 S(t) 670 661 653 646 640 634 628 622 616 M(t) 237 208 182 160 140 123 108 94 83 Exercice 4 : Méthode d’Euler On considère l’équation différentielle (E) : y’ = 3y(1 – y) avec y(0) = 2. En utilisant la méthode itérative d’Euler avec un pas égal à 0,01, représenter dans un tableur une approximation de la courbe représentant la fonction f solution de (E) sur l‘intervalle [0 ;1]. Terminale S Exercices équations différentielles 2011-2012 CORRECTION 4 Exercice 1 : équation différentielle et fonction exponentielle Partie A 1) u'(x) = e-x – xe-x u'(x) + u(x) = e-x – xe-x + xe-x = e-x Donc u est bien solution de l'équation (E). 2) Les solutions de (E0) sont de la forme y = ke-x avec k ∈ Y. 3) v solution de (E) v' + v = e-x (v – u)' + (v – u) = 0 car u'(x) – u(x) = e-x v – u solution de (E0). 4) On déduit de la question précédente que les solutions de (E) sont de la forme : y – u(x) = ke-x Soit y = xe-x + ke-x = (x + k)e-x 5) On a f2(x) = (x + k)e-x et f2(0) = 2 D'où : 0 + k = 2 k = 2 Donc f2(x) = (x + 2)e-x Partie B 1) lim x→− ∞ fk(x) = - ∞ car lim x→− ∞ e-x = + ∞ et lim x→− ∞ x = - ∞ lim x→+ ∞ fk(x) = 0 car lim x→+ ∞ x ex = 0 2) Pour tout x réel, fk'(x) = e-x – (x + k)e-x = (1 – x – k)e-x 3) Tableau de variations de fk. M = fk(1 – k) = (1 – k + k)ek - 1 = ek – 1 4) fk(x) = 0 x = -k = -2 k = 2 On vérifie de plus que le maximum de fk est atteint en -1 = 1 – k = 1 – 2. x f' f(x) -∞ + -∞ 1 - k - M +∞ 0 Terminale S Exercices équations différentielles 2011-2012 CORRECTION 5 Exercice 2 : charge d'un condensateur 1) On pose y = uC. L'équation différentielle s'écrit alors : E = RCy' + y Ou : RCy' = -y + E Ou : y' = - 1 RCy + E RC De la forme y' = ay + b avec a = - 1 RC et b = E RC 2) Les solutions générales de l'équation y' = ay + b sont de la forme : y = Ceat – b a avec C ∈ Y Pour t = 0 on a y(0) = 0 0 = C – b a C = b a Soit y = b a(eat – 1) b a = -E On a donc uC(t) = E      1 – exp      - t RC . 3) Pout t = 100 ms = 100×10-3 s = 0,1 s uC(0,1) = 6×      1 – exp      - 0,1 88×4×10-4 = 6×      1 – exp      -1000 88×4 = 6×      1 – exp      -125 44 ≈ 5,65 V Exercice 3 : Etude de calculs de Daniel Bernoulli 1) f(t) représente le pourcentage de personnes susceptibles d'avoir la variole parmi les personnes non décédées à un instant t. f'(t) = M'(t)×S(t) – M(t)×S'(t) [S(t)]² f'(t) = 1 [S(t)]²×            - 1 8M(t) – k(t)M(t) ×S(t) – M(t)×      - 1 64M(t) – k(t)S(t) f'(t) = 1 [S(t)]²×      -1 8M(t)S(t) – k(t)M(t)S(t) + 1 64(M(t))² + M(t)k(t)S(t) f'(t) = - 1 8× 1 [S(t)]²×M(t)×S(t) + 1 64× 1 [S(t)]²×[M(t)]² f'(t) = -1 8×M(t) S(t) + 1 64×      M(t) S(t) ² f'(t) = - 1 8f(t) + 1 64[f(t)]² f(0) = M(0) S(0) = 1 car M(0) = S(0) Terminale S Exercices équations différentielles 2011-2012 CORRECTION 6 2) g'(t) = - f'(t) [f(t)]² = - 1 [f(t)]²×      - 1 8f(t) + 1 64[f(t)]² g'(t) = 1 8× 1 f(t) - 1 64 g'(t) = 1 8g(t) – 1 64 g(0) = 1 f(0) = 1 car f(0) = 1 Les solutions générales de l'équation g'(t) = 1 8g(t) – 1 64 sont : g(t) = C×exp      1 8t + 1 64×8 = C×exp      1 8t + 1 8 g(0) = 1 C + 1 8 = 1 C = 7 8 D'où g(t) = -7×exp      t 8 + 8 Et f(t) = 1 g(t) = 1 9×exp      t 8 - 8 3) On compare avec excel le rapport S(t)/M(t) avec les valeurs de g(t) Année : t 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Survivants : S(t) 1300 1000 855 uploads/s3/ 6-exercices-equations-differentielles.pdf