partieA: On considère l’équation différentielle (E):y′+y=e−x .
Question 1
Démontrer que la fonction g définie sur l’ensemble R des nombres réels par g(x)=xe−x est une solution de (E) .
Correction
Dans un premier temps, nous allons calculer la dérivée de la fonction g.
(eu)′=u′eu
g est dérivable sur R. Ici on reconnaît la forme : (uv)′=u′v+uv′ avec u(x)=x et v(x)=e−x. Ainsi : u′(x)=1 et v′(x)=−e−x. Il vient alors que : g′(x)=1×e−x+x×(−e−x) g′(x)=e−x−xe−x Maintenant, g est une solution de (E) si et seulement si g′+g=e−x . Il vient alors que : g′(x)+g(x)=e−x−xe−x+xe−x Finalement :
g′(x)+g(x)=e−x
Donc g est bien une solution de l’équation différentielle (E).
Question 2
Résoudre l’équation différentielle (E0):y′+y=0 .
Correction
Soit l’équation différentielle y′=ay où a est un réel avec a=0, et où y est une fonction de la variable x définie et dérivable sur R.
Les solutions de cette équation sont les fonctions de la forme : f(x)=keax où k est une constante réelle.
Nous allons transformer l'écriture afin de revenir à une forme y′=ay. Ainsi: y′+y=0 équivaut successivement à : y′=−y On identifie ici que : a=−1 . Il en résulte que les solutions de l'équation sont alors : f(x)=ke−x où k est une constante réelle. Finalement :
f(x)=ke−x
où k est une constante réelle.
Question 3
Démontrer qu’une fonction h, définie et dérivable sur R, est solution de (E) si et seulement si h−g est solution de (E0).
Correction
h est une solution de (E) si et seulement si h′+h=e−x . D'après la question 1, nous avons montré que g′+g=e−x . Comme h′+h=e−x et que g′+g=e−x alors nous pouvons écrire que : h′+h=g′+g h′−g′=g−h (h−g)′+(h−g)=0 Il en résulte donc bien que h est une solution de (E) si et seulement si h−g est une solution de y′+y=0 .
Question 4
En déduire toutes les solutions de (E).
Correction
D'après la question 2, nous savons que les solutions de l’équation différentielle (E0):y′+y=0 sont
f(x)=ke−x
où k est une constante réelle. D'après la question 3, nous savons que h est solution de (E) si et seulement si h−g est une solution de l’équation différentielle (E0):y′+y=0 . Il en résulte donc que : h(x)−g(x)=ke−x où k est une constante réelle. Nous savons également que : g(x)=xe−x h(x)−xe−x=ke−x h(x)=ke−x+xe−x où k est une constante réelle. Les solutions de l’équation (E) sont alors :
h(x)=ke−x+xe−x où k est une constante réelle.
Question 5
Déterminer la fonction f2, solution de (E), qui prend la valeur 2 en 0.
Correction
Soit f2(x)=ke−x+xe−x où k est une constante réelle tel que f2(0)=2 Il vient alors que : f2(0)=2 équivaut successivement à : ke−0+0×e−0=2 ke−0=2 ke0=2 Ainsi :
k=2
La fonction la fonction f2, solution de (E), qui prend la valeur 2 en 0 est alors : f2(x)=2e−x+xe−x
Question 6
partieB: k étant un nombre réel donné, on note fk la fonction définie sur l’ensemble R par : fk(x)=(x+k)e−x . On note Ck la courbe représentative de la fonction fk dans un repère orthonormal (O;i;j)
Déterminer les limites de fk en −∞ .
Correction
Commençons par calculer x→−∞lime−x Il s’agit d’une limite par composition. On commence par calculer x→−∞lim−x=+∞ . On pose X=−x. Lorsque x tend vers −∞ alors X tend vers +∞. Or : X→+∞limeX=+∞ Par composition :
x→−∞lime−x=+∞
Ainsi : x→−∞limx+kx→−∞lime−x==−∞+∞}par produit
x→−∞lim(x+k)e−x=−∞
Finalement :x→−∞limfk(x)=−∞
Question 7
Déterminer les limites de fk en +∞.
Correction
Pour calculer la limite en +∞, nous allons commencer par développer l'expression de la fonction fk . fk(x)=xe−x+ke−x fk(x)=exx+exk
x→+∞limexx=0
x→+∞limexxx→+∞limexk==00}par somme
x→+∞limexx+exk=0
Finalement :x→+∞limfk(x)=0 L’axe des abscisses est donc asymptote horizontale à Ck au voisinage de plus l’infini.
Question 8
Calculer fk′(x) pour tout réel x.
Correction
Soit fk(x)=(x+k)e−x Ici on reconnaît la forme : (uv)′=u′v+uv′ avec u(x)=x+k et v(x)=e−x. Ainsi : u′(x)=1 et v′(x)=−e−x. Il vient alors que : fk′(x)=1×e−x+(x+k)×(−e−x) fk′(x)=e−x−xe−x−ke−x . Nous allons factoriser l'expression par e−x Ainsi :
fk′(x)=e−x(1−x−k)
Question 9
En déduire le tableau de variations de fk.
Correction
Pour tout réel x, e−x> 0 Le signe de fk′(x) est celui de 1−k−x . 1−x−k≥0⇔−x≥−1+k⇔x≤1−k Il en résulte donc que :
si x∈]−∞;1−k] alors f′(x)≥0 et donc f est croissante sur cet intervalle.
si x∈[1−k;+∞[ alors f′(x)≤0 et donc f est décroissante sur cet intervalle.
Nous traduisons toutes ces informations dans le tableau de variation ci-dessous :
Avec : fk(1−k)=(1−k+k)e−(1−k)
fk(1−k)=ek−1
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