Leçon 1
Équations différentielles et primitives
Le cours écrit
1.1 Une équation dont l'inconnue est une fonction
Un tramway quitte sa station. Pendant les dix premières secondes, sa vitesse à l'instant (en secondes) est , en mètres par seconde. On note la distance parcourue, en mètres. La vitesse est la dérivée de la distance, donc On connaît la dérivée, on cherche la fonction : l'inconnue est la fonction , pas un nombre. La fonction convient, car sa dérivée est . Le tramway a alors parcouru mètres au bout de dix secondes.
Définition. Une équation différentielle est une équation dont l'inconnue est une fonction, notée le plus souvent , et qui fait intervenir la dérivée de cette fonction. Résoudre une équation différentielle sur un intervalle , c'est trouver toutes les fonctions dérivables sur qui la vérifient pour tout réel de . Chacune de ces fonctions est une solution.
Écriture. L'équation est une écriture abrégée de : pour tout réel de , .
Une solution est une fonction, et vérifier qu'une fonction est solution se fait toujours de la même manière : on calcule , on calcule l'autre membre, on compare.
Exemple 1. La fonction est solution de sur : . La fonction n'en est pas solution : , alors que . Une seule valeur de suffit pour conclure.
Exemple 2. La fonction est solution de sur . D'une part . D'autre part .
Exemple 3 (pour découvrir, aucune connaissance n'est exigible). D'autres équations différentielles existent, et certaines de leurs solutions se vérifient facilement.
- : la fonction est solution sur , car .
- , où est un réel et la dérivée seconde : la fonction est solution sur , car . Cette équation décrit les oscillations, par exemple celles d'un ressort.
1.2 L'équation et la notion de primitive
Soit une fonction continue sur un intervalle . Dans l'équation , la dérivée est donnée : on cherche une fonction qui l'admet pour dérivée.
Définition. Soit une fonction continue sur un intervalle . Une primitive de sur est une fonction dérivable sur telle que, pour tout réel de , Autrement dit, les primitives de sur sont exactement les solutions de l'équation différentielle sur .
Chercher une primitive, c'est faire l'opération inverse de la dérivation.
Pour vérifier une primitive, on dérive. On doit retrouver exactement . Ce réflexe est sûr et rapide : garde-le pendant tout le chapitre.
Exemple 4. La fonction est une primitive de sur , car . La fonction en est une autre. Une fonction a donc plusieurs primitives : la leçon 2 dit exactement combien.
Exemple 5. La fonction est une primitive de sur . On dérive un produit :
Exemple 6. La fonction est une primitive de la fonction sur :
1.3 Une primitive existe-t-elle toujours ?
Théorème (admis ici). Toute fonction continue sur un intervalle admet des primitives sur cet intervalle.
Le programme demande de l'admettre dans ce chapitre : ce résultat revient au chapitre 14, avec le calcul intégral.
Exister ne veut pas dire s'écrire simplement. La fonction est continue sur , donc elle admet des primitives. Pourtant, aucune de ses primitives ne s'écrit à l'aide des fonctions que tu connais : on dit qu'on ne dispose pas de primitive explicite. On peut quand même en calculer des valeurs approchées, avec la méthode d'Euler de la leçon 8.
1.4 Le signe de et les variations de
Comme , le lien entre le signe de la dérivée et le sens de variation, vu en Première, s'applique à :
- si sur un intervalle, y est strictement croissante ;
- si sur un intervalle, y est strictement décroissante ;
- si s'annule en changeant de signe en , admet un extremum local en .
Exemple 7. Soit sur et une primitive de . est positive à l'extérieur de et négative à l'intérieur. Donc croît sur , décroît sur , croît sur . Elle admet un maximum local en et un minimum local en , quelle que soit la primitive choisie.
Exercices 1 et 2
- Exercice 1 : vérifier, sans résoudre
- Exercice 2 : du signe de $f$ aux variations de $F$
Corrigés
Cherche d'abord les exercices sur ta feuille, puis compare avec le corrigé détaillé.