Équations différentielles

Baccalauréat STI2D & STL/SPCL Métropole Antilles–Guyane septembre 2022 - Exercice 1

15 min
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La température d’un four, exprimée en degré Celsius, en fonction du temps tt, exprimé en minute, est modélisée par une fonction ff définie et dérivable sur [0;+[\left[0;+\infty\right[, solution de l’équation différentielle (E):y=0,2y+44(E) : y'= -0,2y +44.
Question 1

Déterminer les solutions de cette équation différentielle sur [0;+[\left[0;+\infty\right[ .

Correction
Soit l’équation différentielle y=ay+by'=ay+baa et bb sont deux réels, 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)=keaxbaf\left(x\right)=ke^{ax} -\frac{b}{a}kk est une constante réelle.
  • La fonction f0(x)=baf_0\left(x\right)=-\frac{b}{a} est appeleˊe solution particulieˋre constante\text{\red{appelée solution particulière constante}} de l'équation différentielle.
  • Soit l’équation différentielle y=0,2y+44y'= -0,2y +44 .
    On identifie ici que : a=0,2a=-0,2 et b=44b=44.
    Il en résulte que les solutions de l'équation sont alors : f(t)=ke0,2t44(0,2)f\left(t\right)=ke^{-0,2t} -\frac{44}{\left(-0,2\right)}kk est une constante réelle.
    Finalement :
    f(t)=ke0,2t+220f\left(t\right)=ke^{-0,2t} +220
    kk est une constante réelle.
    Question 2

    On suppose que la température initiale du four est 2525°C. En prenant f(0)=25f\left(0\right) = 25, donner une expression de f(t)f\left(t\right), pour tout tt de [0;+[\left[0;+\infty\right[.

    Correction
    D'après la question précédente,
    f(t)=ke0,2t+220f\left(t\right)=ke^{-0,2t} +220
    kk est une constante réelle.
    Or nous savons que f(0)=25f\left(0\right) = 25. Ce qui va nous permettre de déterminer la valeur de kk .
    f(0)=25f\left(0\right) = 25 équivaut successivement à :
    ke0,2×0+220=25ke^{-0,2\times 0}+220=25
    ke0+220=25ke^0+220=25 . Or e0=1e^0=1 .
    k+220=25k+220=25
    k=25220k=25-220
    Ainsi :
    k=195k=-195

    En prenant f(0)=25f\left(0\right) = 25, l'expression de ff est alors :
    f(t)=195e0,2t+220f\left(t\right)=-195e^{-0,2t} +220