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equ1_030.tex

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\exo {\' Equation différentielle, {\sl bts mai, session 2003}}
 
\let \partie \centerpartie
 
\centerline {\bf Les trois parties de cet exercice peuvent être
traitées de façon indépendante}
 
\partie {A - Résolution d'une équation différentielle}
 
On considère l'équation différentielle 
$$
   y'+y = 2e^{-x}
\leqno 
   (E)
$$
où $y$ est une fonction de la variable réelle $x$, définie et
dérivable sur $\rset $, et $y'$ sa fonction dérivée.
 
\itemnum Déterminer les solutions sur $\rset $ de l'équation
différentielle $(E_0)~: y' + y = 0$.
 
\itemnum Soit $h$ la fonction définie sur $\rset $ par $h (x) =
2xe^{-x}$.
 
\item {} Démontrer que la fonction $h$ est une solution particulière
de l'équation différentielle $(E)$.
 
\itemnum En déduire l'ensemble des solutions de l'équation
différentielle $(E)$.
 
\itemnum Déterminer la solution $f$ de l'équation différentielle $(E)$
dont la courbe représentative, dans un repère orthonormal, passe par
le point de coordonnées $(0, 3)$.
 
\partie {B - \' Etude d'une fonction}
 
\itemnum La courbe $C$ ci-dessous représente dans un repère
orthonormal $(O, \vec \imath , \vec \jmath \,)$ une fonction $f$
définie sur $\rset $ par $f (x) = (ax+b)e^{-x}$ où $a$ et $b$ sont des
nombres réels.
 
\item {} La droite $\Delta $ est la tangente à la courbe $C$ au point
$A$ d'abscisse $0$. Cette tangente passe par le point $B$ de
coordonnées $(3, 0)$.
 
\def \epspath {%
   $HOME/tex_doc/lycee/database/btsmai/analyse/equadiff/}
$$
   \epsillustrate {equ1_030.ps}
$$
 
\itemitemalph Déterminer graphiquement $f (0)$.
 
\itemitemalph Déterminer, graphiquement ou par le calcul, $f' (0)$.
 
\itemitemalph Déterminer les valeurs des nombres réels $a$ et $b$.
 
{\bf Dans la suite, on admet que $f$ est définie sur $\rset $ par
$$
   f (x) = (2x+3)e^{-x}.
$$}
 
\itemitemalphnum Démontrer que, pour tout $x$ de $\rset $, $f' (x) =
(-2x-1) e^{-x}$;
 
\itemitemalph Résoudre dans $\rset $ l'inéquation $f' (x) \geq 0$;
 
\itemitemalph En déduire le sens de variation de $f$ sur $\rset $. (On
ne cherchera pas les limites en $-\infty $ et en $+\infty $.)
 
\itemitemalphnum Déterminer le développement limité, à l'ordre 2, au
voisinage de $0$, de la fonction $x\mapsto e^{-x}$.
 
\itemitemalph  Démontrer que le développement limité, à l'ordre 2, au
voisinage de $0$, de la fonction $f$ est~:
$$
   f (x) = 3 - x -{1\over 2}x^2 + x^2 \varepsilon (x)
      \qquad {\rm avec} \qquad
   \lim _{x\to 0} \varepsilon (x) = 0.
$$
 
\partie {C - Calcul intégral}
 
\itemnum La fonction $f$ définie dans la partie {\bf B} est une
      solution de l'équation différentielle $(E)$ de la partie {\bf
      A}. Donc, pour tout $x$ de $\rset $, 
$$
   f (x) = -f' (x) + 2e^{-x}.
$$
En déduire une primitive $F$ de $f$ sur $\rset $.
 
\itemnum On note 
$\displaystyle {
  I = \int _{0} ^{1/2} f (x) \, dx
}$.
 
\itemitemalph Démontrer que $I = 5 - 6e^{-1/2}$.
 
\itemitemalph Donner une valeur approchée arrondie à $10^{-3}$ de $I$.
 
\itemnum On note 
$\displaystyle {
  J = \int _{0} ^{1/2} \left( 3-x- {1\over 2}x^2\right) \, dx
}$.
 
\itemitemalph Démontrer que $J = 65/48$.
 
\itemitemalph Donner une valeur approchée arrondie à $10^{-3}$ de $J$.
 
\itemitemalph Vérifier que les valeurs approchées obtenues ci-dessus
  pour $I$ et $J$ diffèrent de moins de $10^{-2}$.
 
\finexo
 
 
\corrige
 
\let \partie \llappartie
 
\partie {A}
\vskip -5mm
\itemnum On reconnaît une équation du type $y' = a y$ avec $a =
-1$. Une primitive de $a$ est $A = -x$, et la solution générale de
$(E_0)$ est donc \dresultat {y_0 (x) = k e^{-x}} où $k$ est une
constante réelle quelconque.
 
\itemnum On a $h (x) = 2xe^{-x}$, donc $h' (x) = (2-2x) e^{-x}$, et on
vérifie que l'on a bien $h + h' = 2e^{-x}$, ce qui prouve que
\tresultat {$h (x) = 2xe^{-x}$ est une solution particulière de
$(E)$}.
 
\itemnum La solution générale de $(E)$ est donc \tresultat {$y (x) =
(2x + k) e^{-x}$} où $k$ est une constante réelle quelconque.
 
\itemnum Si la courbe représentative de $f$ passe par le point $(0;
3)$, c'est donc que l'on a $f (0) = 3$. On en déduit que $k=3$, et par
suite que \dresultat {f (x) = (2x+3) e^{-x}}.
 
\partie {B}
\vskip -5mm
\itemalphnum On a bien sûr \dresultat {f (0) = 3}, 
\quad \alph \quad et on a \dresultat {f' (0) = -1} puisque ce nombre
représente le coefficient directeur de la tangente à la courbe de
$f$ au point d'abscisse~$0$. 
 
\itemalph La condition $f (0) = b = 3$ nous donne immédiatement
$b$. Et comme $f' (x) = (a - ax - b)e^{-x}$, il vient $f' (0) = a - b
= 3$, et par suite $a=2$. On a donc finalement \dresultat {(a, b) =
(2, 3)} et \dresultat {f (x) = (2x + 3) e^{-x}}.
 
\itemalphnum On a facilement \dresultat {f' (x) = (-2x-1)e^{-x}}, qui
est du signe de $-2x-1$ puisque $e^{-x}$ est toujours strictement
positif. D'où le tableau de variation de $f$~:
$$\dresultat {\vcenter {
   \eightpoint \rm
   \def \cc#1{\hfill \ #1 \hfill }
   \offinterlineskip \halign {
   %% preamble
      \cc {$#$}& #\tv && \cc {$#$}
   \cr
      x&& -\infty && -1/2&& +\infty 
   \cr
   \noalign {\hrule }
      \bbucenter {$f (x)$}&& &
      \brightuuparrow & \buup {$2\sqrt e$}& \brightddownarrow & 
   \cr
}}}
      \qquad \qquad
   f \left ( -{1\over 2}\right) = 2e^{1/2} = 2\sqrt e
$$
 
\itemalphnum Connaissant le développement limité de $e^t$ en $0$, on
en déduit facilement
$$\dresultat {
   e^{-x} = 1 - x + {x^2 \over 2} + x^2 \varepsilon (x)
      \qquad {\rm avec} \qquad
   \hbox {$\displaystyle \lim _{x\to 0} \varepsilon (x) = 0$}
}$$
 
\itemalph Et le produit de ce DL par le polynôme $(2x+3)$ nous donne
$$\displaylines {
   (2x+3) e^{-x}
   = (2x+3) \left( 1 - x + {x^2 \over 2} \right) + x^2 \varepsilon (x)
   = 3 + 2x - 3x + {3\over 2} x^2 - 2x^2 + x^2 \varepsilon (x)
\cr
      {\rm d'où} \qquad
\dresultat {
   f (x) = 3 - x -{1\over 2}x^2 + x^2 \varepsilon (x)
      \qquad {\rm avec} \qquad
   \lim _{x\to 0} \varepsilon (x) = 0.
}
\cr
}$$
 
\partie {C}
\vskip -5mm
\itemnum Il vient
$$\displaylines {
   f (x) = -f' (x) + 2e^{-x}
      \quad \Longrightarrow \quad
   \int f (x) \, dx  = -\int f' (x) \, dx + \int 2e^{-x} \, dx
\cr
      \qquad {\rm soit} \qquad
   \int f (x) \, dx  = -f (x) -2e^{-x}
\cr }
$$
d'où une primitive de $f$~: \dresultat {F (x) = -f (x) - 2e^{-x} =
(-2x-5)e^{-x}}
 
\itemnum Le calcul de l'intégrale $I$ donne alors
$$
   I = \int _{0} ^{1/2} f (x) \, dx = F \left( {1\over 2}\right) - F
   (O)
      \qquad {\rm soit} \qquad
   \dresultat {I = -6e^{1/2} + 5 \approx 1, 361}
$$
 
\itemnum Pour $J$, il vient
$$
   J = \int _{0} ^{1/2} \left( 3-x- {1\over 2}x^2\right) \, dx
      = \Big[ 3x - {x^2\over 2} - {1\over 6}x^3\Big] _{0} ^{1/2} 
      \qquad {\rm soit} \qquad
   \dresultat {J = {65\over 48} \approx 1, 354}
$$
Et la différence \tresultat {$J-I \approx -6, 649 \cdot 10^{-3}$ est
bien inférieure à $10^{-2}$}.
 
\fincorrige