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Mathématiques · 2 Bac Sciences Physiques

Équations différentielles

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

Le programme se limite aux équations différentielles linéaires du premier ordre de la forme $(E) : y' = ay + b$ et du second ordre à coefficients constants $(E) : ay'' + by' + cy = 0$.

  1. Équations du 1er ordre ($y' = ay + b$) :

    • La solution générale est $y(x) = k e^{ax} - \frac{b}{a}$ (si $a \neq 0$).
    • Si $a=0$, $y' = b \implies y(x) = bx + k$.
  2. Équations du 2nd ordre ($ay'' + by' + cy = 0$) :

    • On résout l'équation caractéristique : $ar^2 + br + c = 0$.
    • Si $\Delta > 0$ (deux racines $r_1, r_2$) : $y(x) = \alpha e^{r_1 x} + \beta e^{r_2 x}$.
    • Si $\Delta = 0$ (racine double $r_0$) : $y(x) = (\alpha x + \beta) e^{r_0 x}$.
    • Si $\Delta < 0$ (racines complexes $p \pm iq$) : $y(x) = e^{px}(\alpha \cos(qx) + \beta \sin(qx))$.

Méthodes à maîtriser

  • Identifier les coefficients $a, b, c$ avec soin.
  • Calculer le discriminant $\Delta$ pour le 2nd ordre.
  • Déterminer les constantes $\alpha$ et $\beta$ (ou $k$) à l'aide des conditions initiales (ex: $y(0)=y_0$ et $y'(0)=y'_1$).

Exemples corrigés

  • Exemple 1 : $y' = 3y + 2$. Ici $a=3, b=2$. Solution : $y(x) = k e^{3x} - \frac{2}{3}$.
  • Exemple 2 : $y'' - 5y' + 6y = 0$. Éq. caractéristique : $r^2 - 5r + 6 = 0$. $\Delta = 25 - 24 = 1$. Racines $r_1=2, r_2=3$. Solution : $y(x) = \alpha e^{2x} + \beta e^{3x}$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier la constante $k$ ou $\alpha, \beta$ dans la solution générale.
  • Se tromper de signe lors du calcul de $\Delta$ ou des racines.
  • Confondre la forme de la solution selon le signe de $\Delta$.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Équations différentielles

1/4

Quelle est la solution de $y' = 5y$ ?

❓ Questions fréquentes

Est-ce que y' = ay est un cas particulier de y' = ay + b ?

Oui, c'est le cas où $b=0$. La formule $y(x) = k e^{ax} - \frac{b}{a}$ devient $y(x) = k e^{ax}$. C'est cohérent.

💡 À retenir : La formule générale couvre tous les cas du 1er ordre.

Est-ce que je dois toujours mettre la constante k dans ma réponse ?

Oui, absolument. La solution générale d'une équation différentielle est une famille de fonctions. Sans la constante $k$ (ou $\alpha, \beta$), tu ne donnes qu'une solution particulière, ce qui est incomplet et te fera perdre des points à l'examen.

💡 À retenir : La solution générale contient toujours une ou plusieurs constantes réelles.

Kifach n3ref wach nst3mel e^{r1 x} wla (alpha x + beta)e^{r0 x} ?

Tout dépend du discriminant $\Delta$ de ton équation caractéristique :

  1. Si $\Delta > 0$, tu as deux racines distinctes, donc tu utilises $\alpha e^{r_1 x} + \beta e^{r_2 x}$.
  2. Si $\Delta = 0$, tu as une racine double, donc tu utilises $(\alpha x + \beta) e^{r_0 x}$.

💡 À retenir : Le signe de $\Delta$ dicte la forme de la solution.

Est-ce que l'ordre des racines r1 et r2 a une importance ?

Non, l'ordre n'a aucune importance. Que tu écrives $\alpha e^{2x} + \beta e^{3x}$ ou $\alpha e^{3x} + \beta e^{2x}$, c'est mathématiquement identique car les constantes $\alpha$ et $\beta$ seront simplement inversées après le calcul avec les conditions initiales.

💡 À retenir : L'ordre des racines ne change pas l'ensemble des solutions.

Wach momkin nkhrej l'equation caracteristique bla ma nkteb l'equation differentielle ?

Oui, mais attention : il faut toujours justifier en écrivant : "L'équation caractéristique associée est : $ar^2 + br + c = 0$". Ne saute pas cette étape, c'est elle qui montre au correcteur que tu sais ce que tu fais.

💡 À retenir : La rédaction est aussi importante que le résultat.

Comment faire si j'ai y'' + y = 0 ?

Ici, $a=1, b=0, c=1$. L'équation caractéristique est $r^2 + 1 = 0$, donc $r^2 = -1$. Les racines sont complexes : $r = 0 \pm 1i$. Donc $p=0$ et $q=1$. La solution est $y(x) = \alpha \cos(x) + \beta \sin(x)$.

💡 À retenir : Pour $\Delta < 0$, la solution fait intervenir des fonctions trigonométriques.

Kifach n7seb les constantes alpha et beta ila 3tawni y(0)=1 et y'(0)=2 ?
  1. Tu écris la solution générale $y(x)$.
  2. Tu calcules sa dérivée $y'(x)$.
  3. Tu remplaces $x$ par 0 dans les deux expressions.
  4. Tu obtiens un système de deux équations à deux inconnues ($\alpha$ et $\beta$) que tu résous.

💡 À retenir : Les conditions initiales servent uniquement à fixer les valeurs de $\alpha$ et $\beta$.

Est-ce qu'il y a des équations différentielles avec des x^2 dedans ?

Non, dans le programme de Sciences Physiques, nous ne traitons que les équations à coefficients constants. Si tu vois un $x^2$ devant $y''$, ce n'est pas au programme du bac marocain.

💡 À retenir : Seules les équations à coefficients constants sont exigibles.

Si Delta < 0, est-ce que je dois écrire i dans la solution ?

Non, surtout pas ! La solution doit être une fonction réelle. Le $i$ sert uniquement à trouver $q$ pour écrire $\cos(qx)$ et $\sin(qx)$. La solution finale ne doit contenir aucun nombre complexe.

💡 À retenir : La solution d'une équation différentielle réelle est toujours une fonction réelle.

Wach n9der nkhrej l'equation y'' + 4y' + 4y = 0 b delta ?

Oui, bien sûr. $\Delta = 4^2 - 4(1)(4) = 16 - 16 = 0$. Comme $\Delta = 0$, tu utilises la formule avec la racine double $r = -b/2a = -4/2 = -2$. La solution est $y(x) = (\alpha x + \beta)e^{-2x}$.

💡 À retenir : La méthode du discriminant est universelle.

Pourquoi on utilise e dans toutes les solutions ?

Parce que la fonction exponentielle est la seule fonction (à un facteur près) qui est proportionnelle à sa propre dérivée, ce qui est la définition même d'une équation différentielle linéaire.

💡 À retenir : L'exponentielle est au cœur des équations différentielles.

Est-ce que je peux laisser la réponse sous forme de système ?

Non, le correcteur attend la fonction $y(x)$ explicite où les constantes $\alpha$ et $\beta$ sont remplacées par leurs valeurs numériques trouvées.

💡 À retenir : Donne toujours la solution finale avec les constantes calculées.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Résoudre l'équation différentielle $(E) : y' - 2y = 4$.

Voir la correction détaillée : inscription gratuite

Exercice 2

Résoudre l'équation $(E) : y'' - 3y' + 2y = 0$ avec les conditions $y(0)=1$ et $y'(0)=0$.

Voir la correction détaillée : inscription gratuite

Exercice 3

Résoudre $(E) : y'' + 2y' + 5y = 0$.

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