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Mathématiques · Paramédical (ISPITS) — Sage-femme

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

Une équation différentielle du premier ordre est une équation reliant une fonction inconnue $y$ et sa dérivée $y'$. La forme générale étudiée est : $y' = ay + b$ où $a \in \mathbb{R}^*$ et $b \in \mathbb{R}$. Les solutions de l'équation $y' = ay + b$ sont les fonctions définies par : $$y(x) = c \cdot e^{ax} - \frac{b}{a}$$ où $c$ est une constante réelle déterminée par une condition initiale $y(x_0) = y_0$.

Méthodes à maîtriser

  1. Identification : Identifier les paramètres $a$ et $b$ dans l'équation donnée.
  2. Application directe : Utiliser la formule $y(x) = c \cdot e^{ax} - \frac{b}{a}$.
  3. Détermination de la constante : Remplacer $x$ par $x_0$ et $y$ par $y_0$ dans la solution générale pour trouver $c$.
  4. Vérification : Dériver la solution trouvée et vérifier si elle satisfait l'équation initiale.

Exemples corrigés

Exemple 1 : Résoudre $y' = 3y$. Ici $a=3$ et $b=0$. La solution est $y(x) = c \cdot e^{3x}$. Exemple 2 : Résoudre $y' = 2y - 4$ avec $y(0) = 1$. Ici $a=2$ et $b=-4$. La solution générale est $y(x) = c \cdot e^{2x} - \frac{-4}{2} = c \cdot e^{2x} + 2$. Avec $y(0)=1$, on a $c \cdot e^0 + 2 = 1 \implies c + 2 = 1 \implies c = -1$. La solution particulière est $y(x) = -e^{2x} + 2$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier la constante $c$ (c'est une erreur grave).
  • Se tromper dans le signe de $-b/a$ (attention aux doubles signes).
  • Confondre $y'$ et $y$ lors de l'identification des coefficients.
  • Oublier de calculer $c$ quand une condition initiale est donnée.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Équations différentielles

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La solution générale de l'équation $y' = 5y$ est :

❓ Questions fréquentes

Kifach n3ref wach lmo3adala li 3ndi hiya y' = ay + b ?
  1. Regarde si tu as une seule dérivée $y'$ et une fonction $y$.
  2. Vérifie qu'il n'y a pas de $y^2$ ou de $y''$.
  3. Mets tous les termes avec $y$ d'un côté et les nombres de l'autre pour isoler $y'$.

💡 À retenir : Si l'équation s'écrit sous la forme $y' = (\text{nombre}) \cdot y + (\text{nombre})$, alors c'est bien une équation du premier ordre.

Chno hiya l'utilité dyal "condition initiale" y(x0) = y0 ?
  1. La solution générale $y(x) = c \cdot e^{ax} - b/a$ contient une infinité de solutions à cause de la constante $c$.
  2. La condition initiale sert à fixer une valeur précise pour $c$.
  3. Elle permet de trouver la "solution particulière" qui correspond à un cas réel précis.

💡 À retenir : Sans condition initiale, on ne peut pas déterminer la valeur exacte de $c$.

Kifach n7seb c ila 3tawni y(0) = 5 ?
  1. Tu prends ta solution générale $y(x) = c \cdot e^{ax} - b/a$.
  2. Tu remplaces $x$ par $0$ et $y(0)$ par $5$.
  3. Tu résous l'équation obtenue pour isoler $c$.

💡 À retenir : $e^0$ vaut toujours $1$, ce qui simplifie énormément le calcul.

Est-ce que a peut être égal à 0 ?

Si $a=0$, l'équation devient $y' = b$. C'est une équation très simple où $y$ est une primitive de $b$. La solution est $y(x) = bx + c$.

💡 À retenir : La formule $y(x) = c \cdot e^{ax} - b/a$ ne s'applique pas directement si $a=0$ car on ne peut pas diviser par zéro.

Pourquoi on utilise l'exponentielle dans ces équations ?

Parce que la fonction exponentielle est la seule fonction (à une constante près) dont la dérivée est proportionnelle à elle-même ($f' = af$). C'est la base du modèle de croissance.

💡 À retenir : L'exponentielle est le moteur mathématique de la résolution des équations différentielles linéaires.

Est-ce que c peut être égal à 0 ?

Oui, tout à fait. Si $c=0$, la solution est la fonction constante $y(x) = -b/a$. C'est ce qu'on appelle une solution particulière constante.

💡 À retenir : $c$ est un nombre réel quelconque, il peut être positif, négatif ou nul.

Est-ce que le signe de a change quelque chose ?

Oui, le signe de $a$ détermine le comportement de la fonction : si $a > 0$, la fonction croît (ou décroît selon $c$), si $a < 0$, la fonction tend vers $-b/a$ quand $x$ tend vers $+\infty$.

💡 À retenir : Le signe de $a$ est crucial pour l'étude des variations de la solution.

Est-ce que je peux laisser c dans mon résultat final ?

Si l'énoncé ne donne pas de condition initiale, tu DOIS laisser $c$ dans ton résultat final. Si une condition est donnée, tu dois calculer la valeur numérique de $c$.

💡 À retenir : La présence de $c$ indique que tu as bien donné la solution générale.

Est-ce que y' peut être multiplié par un nombre, genre 2y' = y + 1 ?

Oui, mais tu dois d'abord diviser toute l'équation par ce nombre pour isoler $y'$. Ici, tu divises par 2 pour obtenir $y' = 0,5y + 0,5$.

💡 À retenir : Toujours isoler $y'$ avant d'identifier $a$ et $b$.

Est-ce que y(x) peut être une fonction négative ?

Oui, $y(x)$ est une fonction réelle, elle peut prendre n'importe quelle valeur dans $\mathbb{R}$ selon les paramètres $a, b$ et $c$.

💡 À retenir : Le résultat dépend entièrement des données du problème.

Est-ce que le programme de l'examen demande de démontrer la formule ?

Non, le programme officiel demande de savoir résoudre l'équation et d'utiliser la solution, pas de démontrer la formule de résolution.

💡 À retenir : Apprends la formule par cœur, c'est suffisant pour l'examen.

Est-ce que les équations différentielles sont liées aux primitives ?

Oui, résoudre $y' = f(x)$ revient exactement à chercher la primitive de $f(x)$. L'équation $y' = ay + b$ est une généralisation.

💡 À retenir : La notion de primitive est le socle de la résolution des équations différentielles.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Résoudre l'équation différentielle suivante : $(E) : y' = -2y + 6$.

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Exercice 2

Déterminer la solution particulière de l'équation $(E) : y' = 4y - 8$ vérifiant la condition initiale $y(0) = 3$.

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Exercice 3

Un médicament est éliminé par le sang selon l'équation différentielle $y' = -0,5y$, où $y(t)$ est la concentration du médicament à l'instant $t$ (en heures). À l'instant $t=0$, la concentration est $y(0) = 10$ mg/L.

  1. Donner la solution générale de l'équation.
  2. Déterminer la concentration du médicament à $t = 2$ heures.
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