Les équations différentielles

Exercices types : 11ère partie - Exercice 3

40 min
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partie  A  :\bf\underline{partie\;A\;:}
On considère l’équation différentielle (E):y+y=ex\left(E\right) : y'+y= e^{−x} .
Question 1

Démontrer que la fonction gg définie sur l’ensemble R\mathbb R des nombres réels par g(x)=xexg(x)=xe^{-x} est une solution de (E)\left(E\right) .

Correction
Dans un premier temps, nous allons calculer la dérivée de la fonction gg.
(eu)=ueu\left(e^{u} \right)^{'} =u'e^{u}
gg est dérivable sur R\mathbb{R}.
Ici on reconnaît la forme : (uv)=uv+uv\left(uv\right)'=u'v+uv' avec u(x)=xu\left(x\right)=x et v(x)=exv\left(x\right)=e^{-x} .
Ainsi : u(x)=1u'\left(x\right)=1 et v(x)=exv'\left(x\right)=-e^{-x} .
Il vient alors que :
g(x)=1×ex+x×(ex)g'\left(x\right)=1\times e^{-x} +x\times \left(-e^{-x} \right)
g(x)=exxexg'\left(x\right)=e^{-x} -xe^{-x}
Maintenant, gg est une solution de (E)\left(E\right) si et seulement si g+g=exg'+g=e^{-x} .
Il vient alors que :
g(x)+g(x)=exxex+xexg'\left(x\right)+g\left(x\right)=e^{-x} -xe^{-x}+xe^{-x}
Finalement :
g(x)+g(x)=exg'\left(x\right)+g\left(x\right)=e^{-x}

Donc gg est bien une solution de l’équation différentielle (E).(E).
Question 2

Résoudre l’équation différentielle (E0):y+y=0(E_0) : y'+y=0 .

Correction
Soit l’équation différentielle y=ayy'=ayaa est un réel avec a0a\ne 0, et où yy est une fonction de la variable xx définie et dérivable sur R\mathbb{R}.
  • Les solutions de cette équation sont les fonctions de la forme : f(x)=keaxf\left(x\right)=ke^{ax} kk est une constante réelle.
  • Nous allons transformer l'écriture afin de revenir à une forme y=ayy'=ay. Ainsi:
    y+y=0y'+y=0 équivaut successivement à :
    y=yy'=-y
    On identifie ici que : a=1a=-1 .
    Il en résulte que les solutions de l'équation sont alors : f(x)=kexf\left(x\right)=ke^{-x}kk est une constante réelle.
    Finalement :
    f(x)=kexf\left(x\right)=ke^{-x}
    kk est une constante réelle.
    Question 3

    Démontrer qu’une fonction hh, définie et dérivable sur R,\mathbb R, est solution de (E)(E) si et seulement si hgh-g est solution de (E0).(E_0).

    Correction
    hh est une solution de (E)\left(E\right) si et seulement si h+h=exh'+h=\red{e^{−x}} .
    D'après la question 11, nous avons montré que g+g=exg'+g=\red{e^{−x}} .
    Comme h+h=exh'+h=\red{e^{−x}} et que g+g=exg'+g=\red{e^{−x}} alors nous pouvons écrire que :
    h+h=g+gh'+h=g'+g
    hg=ghh'-g'=g-h
    (hg)+(hg)=0\left(h-g\right)'+\left(h-g\right)=0
    Il en résulte donc bien que hh est une solution de (E)\left(E\right) si et seulement si hgh-g est une solution de y+y=0y'+y=0 .
    Question 4

    En déduire toutes les solutions de (E).(E).

    Correction
    D'après la question 22, nous savons que les solutions de l’équation différentielle (E0):y+y=0(E_0) : y'+y=0 sont
    f(x)=kexf\left(x\right)=ke^{-x}
    kk est une constante réelle.
    D'après la question 33, nous savons que hh est solution de (E)(E) si et seulement si hgh-g est une solution de l’équation différentielle (E0):y+y=0(E_0) : y'+y=0 .
    Il en résulte donc que :
    h(x)g(x)=kexh\left(x\right)-g\left(x\right)=ke^{-x}kk est une constante réelle. Nous savons également que : g(x)=xexg(x)=xe^{-x}
    h(x)xex=kexh\left(x\right)-xe^{-x}=ke^{-x}
    h(x)=kex+xexh\left(x\right)=ke^{-x}+xe^{-x}kk est une constante réelle.
    Les solutions de l’équation (E)(E) sont alors :
    h(x)=kex+xexh\left(x\right)=ke^{-x}+xe^{-x}kk est une constante réelle.
    Question 5

    Déterminer la fonction f2,f_2, solution de (E),(E), qui prend la valeur 22 en 0.0.

    Correction
    Soit f2(x)=kex+xexf_2\left(x\right)=ke^{-x}+xe^{-x}kk est une constante réelle tel que f2(0)=2f_2(0)=2
    Il vient alors que :
    f2(0)=2f_2(0)=2 équivaut successivement à :
    ke0+0×e0=2ke^{-0} +0\times e^{-0} =2
    ke0=2ke^{-0} =2
    ke0=2ke^{0} =2
    Ainsi :
    k=2{\color{blue}{k=2}}

    La fonction la fonction f2,f_2, solution de (E),(E), qui prend la valeur 22 en 00 est alors : f2(x)=2ex+xexf_2\left(x\right)={\color{blue}{2}}e^{-x}+xe^{-x}

    Question 6
    partie  B  :\bf\underline{partie\;B\;:}
    kk étant un nombre réel donné, on note fkf_k la fonction définie sur l’ensemble R\mathbb R par :
    \qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquadfk(x)=(x+k)exf_k(x) = (x +k)e^{-x} .
    On note Ck\mathscr{C_k} la courbe représentative de la fonction fkf_k dans un repère orthonormal (O;i;j)\left(O;\overrightarrow{i} ;\overrightarrow{j} \right)

    Déterminer les limites de fkf_k en -\infty .

    Correction
    Commençons par calculer limxex{\mathop{\lim }\limits_{x\to -\infty }} e^{-x}
    Il s’agit d’une limite par composition.\blue{\text{Il s'agit d'une limite par composition.}}
    On commence par calculer limxx=+\lim\limits_{x\to {\color{red}-\infty} }-x={\color{blue}+\infty} .
    On pose X=xX=-x. Lorsque xx tend vers {\color{red}-\infty} alors XX tend vers +{\color{blue}+\infty}.
    Or : limX+eX=+\lim\limits_{X\to {\color{blue}+\infty}} e^{X}={\color{green}+\infty}
    Par composition :
    limxex=+\lim\limits_{x\to {\color{red}-\infty}} e^{-x}={\color{green}+\infty}

    Ainsi :
    limxx+k=limxex=+}\left. \begin{array}{ccc} {\lim\limits_{x\to -\infty } x+k} & {=} & {-\infty} \\ {\lim\limits_{x\to -\infty } e^{-x}} & {=} & {+\infty} \end{array}\right\} par produit\text{\red{par produit}}
    limx(x+k)ex=\mathop{\lim }\limits_{x\to -\infty } (x+k)e^{-x}=-\infty

    Finalement :\purple{\text{Finalement :}} limxfk(x)=\mathop{\lim }\limits_{x\to -\infty } f_k(x)=-\infty
    Question 7

    Déterminer les limites de fkf_k en +.+\infty.

    Correction
    Pour calculer la limite en ++\infty, nous allons commencer par développer l'expression de la fonction fkf_k .
    fk(x)=xex+kexf_{k} \left(x\right)=xe^{-x} +ke^{-x}
    fk(x)=xex+kexf_{k} \left(x\right)=\frac{x}{e^{x} } +\frac{k}{e^{x} }
    • limx+xex=0\lim\limits_{x\to +\infty } \frac{x}{e^{x} } =0
    limx+xex=0limx+kex=0}\left. \begin{array}{ccc} {\lim\limits_{x\to +\infty } \frac{x}{e^{x} }} & {=} & {0} \\ {\lim\limits_{x\to +\infty } \frac{k}{e^{x} }} & {=} & {0} \end{array}\right\} par somme\text{\red{par somme}}
    limx+xex+kex=0\mathop{\lim }\limits_{x\to +\infty } \frac{x}{e^{x} } +\frac{k}{e^{x} }=0

    Finalement :\purple{\text{Finalement :}} limx+fk(x)=0\mathop{\lim }\limits_{x\to +\infty } f_k(x)=0
    L’axe des abscisses est donc asymptote horizontale à Ck\mathscr{C_k} au voisinage de plus l’infini.
    Question 8

    Calculer fk(x)f'_k(x) pour tout réel x.x.

    Correction
    Soit fk(x)=(x+k)exf_k(x) = (x +k)e^{-x}
    Ici on reconnaît la forme : (uv)=uv+uv\left(uv\right)'=u'v+uv' avec u(x)=x+ku\left(x\right)=x+k et v(x)=exv\left(x\right)=e^{-x} .
    Ainsi : u(x)=1u'\left(x\right)=1 et v(x)=exv'\left(x\right)=-e^{-x} .
    Il vient alors que :
    fk(x)=1×ex+(x+k)×(ex)f'_k \left(x\right)=1\times e^{-x} +\left(x+k\right)\times \left(-e^{-x} \right)
    fk(x)=exxexkexf'_k \left(x\right)={\color{blue}{e^{-x}}} -x{\color{blue}{e^{-x}}} -k{\color{blue}{e^{-x}}} . Nous allons factoriser l'expression par ex{\color{blue}{e^{-x}}}
    Ainsi :
    fk(x)=ex(1xk)f'_k \left(x\right)={\color{blue}{e^{-x}}} \left(1-x-k\right)

    Question 9

    En déduire le tableau de variations de fk.f_k .

    Correction
    Pour tout réel xx, ex>e^{−x} > 0
    Le signe de fk(x)f'_k(x) est celui de 1kx1-k-x .
    1xk0x1+kx1k1-x-k\ge 0\Leftrightarrow -x\ge -1+k\Leftrightarrow x\le 1-k
    Il en résulte donc que :
    • si x];1k]x\in\left]-\infty;1-k\right] alors f(x)0f'\left(x\right)\ge0 et donc ff est croissante sur cet intervalle.
    • si x[1k;+[x\in\left[1-k;+\infty\right[ alors f(x)0f'\left(x\right)\le0 et donc ff est décroissante sur cet intervalle.
    Nous traduisons toutes ces informations dans le tableau de variation ci-dessous :
    Avec :
    fk(1k)=(1k+k)e(1k)f_{k} \left(1-k\right)=\left(1-k+k\right)e^{-\left(1-k\right)}
    fk(1k)=ek1f_{k} \left(1-k\right)=e^{k-1}