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equ2_018.tex

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\exo {Une solution particulière est affine}
 
\let \partie \centerpartie
 
Le plan est rapporté à un repère orthonormal $(O, \vec \imath , \vec
\jmath )$.
 
\partie {A}
 
On considère l'équation différentielle
$$
   y'' + 4y' + 4y = -4x
\leqno
   (E)
$$
où $y$ désigne une fonction inconnue de la variable réelle $x$,
définie et deux fois dérivable sur $\rset $.
 
\itemnum Donner la solution générale de l'équation sans second membre
associée à $(E)$.
 
\itemnum Vérifier que la fonction qui à tout réel $x$ associe $-x+1$
est une solution particulière de $(E)$.
 
\itemnum Déduire des deux questions précédentes la solution générale
de $(E)$.
 
\itemnum Déterminer la solution $\varphi $ de $(E)$ dont la courbe
représentative passe par le point $A$ de coordonnées $(0, 2)$ et admet
en ce point une tangente de coefficient directeur $-2$.
 
\partie {B}
 
Soit $f$ la fonction définie sur $[0, +\infty [$ par
$$
  f (x) = -x + 1 + (x+1) e^{-2x}
$$
et soit $C_f$ sa courbe représentative dans le repère $(O, \vec \imath
, \vec \jmath )$ (unité graphique~: 4~cm ou 4~grand carreaux).
 
\itemitemalphnum Calculer la limite de $f (x)$ lorsque $x$ tend vers
$+\infty $.
 
\itemitemalph On pose
$$
   g (x) = f (x) - (-x+1).
$$
Déterminer le signe de $g (x)$ et déterminer la limite de $g (x)$
lorsque $x$ tend vers $+\infty $.
 
\itemitem {} Interpréter graphiquement les résultats obtenus.
 
\itemitemalphnum Montrer que la dérivée $f'$ de $f$ vérifie
$$
   f' (x) = - (2x+1) e^{-2x} - 1.
$$
 
\itemitemalph En déduire le sens de variation de $f$ sur $[0, +\infty
[$, puis construire le tableau de variation de $f$ sur cet intervalle.
 
\itemnum Construire la droite $D$ d'équation $y = -x+1$ et la courbe
$C_f$.
 
\finexo
 
\corrige {}
 
\let \partie \llappartie
 
\partie {A}
 
\vskip -5\parskip
 
\itemnum L'équation caractéristique associée à l'équation sans second
membre $(E_0)$ est 
$$
   r^2 - 4y + 4 = 0.
$$
Son discriminant $\Delta $ est nul, et sa seule racine est $r = -2$,
d'où la solution générale de $(E_0)$~: \dresultat {y = (Ax+B) e^{-2x}}
où $A$ et $B$ sont des constantes réelles quelconques.
 
\itemnum Si $g (x) = -x+1$, alors $g' (x) = -1$ et $g'' (x) = 0$. On
vérifie alors facilement que $g''+4g'+4g = -4x$, autrement dit que
\tresultat {$g=-x+1$ est une solution particulière de $(E)$}.
 
\itemnum En conclusion, la solution générale de $(E)$ est l'ensemble
des fonctions $y$ ayant une écriture du type
$$
   \dresultat {y (x) = -x+1 + (Ax+B) e^{-2x}}
      \qquad {\rm} \qquad
   \hbox {$A$ et $B$ constantes réelles quelconques.}
$$
 
\itemnum Soit $\varphi $ l'une de ces solutions. Les conditions
      initiales imposent $\varphi (0) = 2$ (la courbe passe par $A (0,
      2)$) et $\varphi ' (0) = 0$ (tangente horizontale en $A$). Comme
on a $\varphi ' (x) = -1 + (-2Ax +A-2BH) e^{-2x}$, il vient les
2~équations~:
$$
   1+B = 2
      \qquad {\rm et} \qquad
   -1+A-2 = -2
$$
d'où l'on tire $(A, B) = (1, 1)$. Fionalement, la so:ution cherchée
est la fonction $\varphi $ définie sur $\rset $ par
$$
   \dresultat {\varphi (x) = -x + 1 + (x+1) e^{-2x}}
$$
 
\partie {B}
 
\vskip -5\parskip
 
\itemnum On a \dresultat {\lim _{x\to +\infty } f (x) = -\infty }
puisque
$$
   f (x) = -x + 1 + (x+1) e^{-2x}
      \qquad {\rm avec} \qquad
   \cases {
      \lim _{x\to +\infty } -x+1 = -\infty
   \cr
      \lim _{x\to +\infty } (x+1) e^{-2x} = 0
   \cr }
$$
La deuxième limite provenant du fait que lorsque $x$ tend vers
$+\infty $, la fonction exponentielle va plus vite que toute fonction
polynôme.
 
\itemalphnum On a donc $g (x) = (x+1) e^{-2x}$. D'où \dresultat {\lim
_{x\to +\infty } g (x) = 0} en vertu des calculs de la question
précédente. De plus $g (x)$ est du signe de $(x+1)$ puisque $e^{-2x}$
est toujours positif. Comme $x\in [0, +\infty [$, on en déduit que
\tresultat {$g$ est toujours positif}.
 
\item {} Géométriquement, en notant $D$ la droite 
d'équation $y = -x+1$, ces résultats signifient que 
$$
\tresultat {$D$ est asymptote à la courbe $C_f$ en $+\infty $} 
   \quad \hbox { et } \quad
\tresultat {la courbe $C_f$ est toujours au-dessus de $D$}.
$$
 
\itemalphnum On trouve $f' (x) = -1 + e^{-2x} (1-2x62)$, d'où \dresultat
{f' (x) = - (2x+1) e^{-2x} - 1}. 
 
\itemalph Les nombres $e^{-2x}$ et $(2x+1)$ sont toujours positifs sur
$[0, +\infty [$, donc $-(2x+1) e^{-2dx}$ est toujours négatif sur
l'intervalle considéré, et \tresultat {$f' (x)$ est toujours négatif}
puisque somme de 2~nombres négatifs. D'où le tableau de variation de
$f$~:
$$\dresultat {
\vcenter {\offinterlineskip \eightpoint \rm 
   \def \cc#1{ \hfil #1 \hfil }
   \halign {
   % preamble
      \cc {$#$}& #\tv && \cc {$#$}
   \cr
      x&& 2&& +\infty
   \cr
   \noalign {\hrule height 1pt }
      f' (x)&& &-
   \cr
   \noalign {\hrule height 1pt}
      \bucenter {$f (x)$}&& \bup {$2$}&
      \brightdownarrow & \down {$-\infty $}
   \cr
}}
}$$
 
\def \epspath {%
   $HOME/tex_doc/lycee/database/btsmai/analyse/equadiff/}
\itemnum Et sa courbe représentative~:
$$
   \superboxepsillustrate {equ2_018.ps}
$$
 
\fincorrige