Devoir sur 20 : Primitives et équations différentielles
Devoir d'une heure, noté sur 20 points. Calculatrice autorisée. Seuil proposé : 10/20. Corrigé et barème à la fin.
Sujet
Exercice 1 (6 points)
Déterminer une primitive de chaque fonction sur l'intervalle indiqué.
f(x)=3x2−4x+x21 sur ]0;+∞[ (1 point)
g(x)=xex2 sur R (1 point)
h(x)=x2+34x sur R (1 point)
k(x)=sin(2x)+cosx sur R (1 point)
Déterminer la primitive F de m:x↦x2+1 sur ]0;+∞[ telle que F(1)=2. (2 points)
Exercice 2 (9 points)
On considère l'équation différentielle (E):y′+2y=3e−x.
Vérifier que p:x↦3e−x est solution de (E) sur R. (1 point)
Résoudre (E) sur R. (1,5 point)
Montrer que la solution f de (E) telle que f(0)=1 est définie par f(x)=3e−x−2e−2x. (1 point)
Déterminer les limites de f en +∞ et en −∞. On pourra écrire f(x)=e−2x(3ex−2). (1,5 point)
Montrer que f′(x)=e−2x(4−3ex), dresser le tableau de variations de f et préciser la valeur exacte de son maximum. (2,5 points)
Déterminer une primitive de f sur R. (1,5 point)
Exercice 3 (5 points)
Une bouteille de jus de fruits sort du réfrigérateur à 4 °C. La pièce est à 20 °C. On note T(t) la température du jus, en degrés Celsius, t minutes après sa sortie. On admet que
T′=−0,2T+4,T(0)=4.
Vérifier que cette équation s'écrit T′=−0,2(T−20), puis déterminer sa solution constante. (1 point)
Montrer que T(t)=20−16e−0,2t. (1,5 point)
Étudier le sens de variation de T et sa limite en +∞. Interpréter. (1 point)
Au bout de combien de temps le jus atteint-il 15 °C ? Arrondir au dixième de minute. (1 point)
Avec la méthode d'Euler de pas h=1, calculer y1 et y2, valeurs approchées de T(1) et T(2). (0,5 point)
Corrigé et barème (après avoir cherché)
Exercice 1
F1(x)=x3−2x2−x1. (1 point)
g=21u′eu avec u(x)=x2 : G(x)=21ex2. (1 point)
h=2uu′ avec u(x)=x2+3>0 : H(x)=2ln(x2+3). (1 point)
K(x)=−21cos(2x)+sinx. (1 point)
F(x)=4x+x+c. (1 point) F(1)=5+c=2 donne c=−3 : F(x)=4x+x−3. (1 point)
Exercice 2
p′(x)=−3e−x, donc p′(x)+2p(x)=−3e−x+6e−x=3e−x. (1 point)
(E)⟺y′=−2y+3e−x. Les solutions de y′=−2y sont x↦Ce−2x. (0,5 point) Les solutions de (E) sont les fonctions x↦Ce−2x+3e−x, C réel. (1 point)
f(0)=C+3=1 donne C=−2, d'où le résultat. (1 point)
En +∞ : e−x→0 et e−2x→0, donc x→+∞limf(x)=0. (0,5 point) En −∞ : e−2x→+∞ et 3ex−2→−2, donc x→−∞limf(x)=−∞. (1 point)
f′(x)=−3e−x+4e−2x=e−2x(−3ex+4). (0,5 point) f′(x)>0⟺ex<34⟺x<ln34. (0,5 point) f est strictement croissante sur ]−∞;ln34], strictement décroissante sur [ln34;+∞[. (0,5 point) Avec e−x=43 : le maximum vaut f(ln34)=3×43−2×169=89. (1 point)