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equ2_029.tex

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\exo {\' Equation différentielle d'ordre 2, {\sl bts mai, session 1997}}
 
\let \partie \centerpartie
 
\partie {A - Résolution d'une équation différentielle}
 
On considère l'équation différentielle $(E)$ définie sur $\rset $ par :
$$
   y '' - 3 y ' + 2 y = - 4 e^{2 x}.
\leqno
   (E)
$$
 
\itemnum Donner la forme générale des solutions de l'équation $(E ' )$~:
$$
   y '' - 3 y ' + 2 y = 0.
\leqno
   (E')
$$
 
\itemnum Déterminer le réel a pour que la fonction g définie sur
$\rset $ par $g (x) = a x e^{2x}$ soit solution de l'équation $(E)$. 
 
\itemitemalphnum Déduire des questions précédentes la solution
générale de l'équation $(E)$. 
 
\itemitemalph Déterminer la solution $f$ de l'équation $(E)$ dont la
courbe représentative passe par le point $S(0 ; 2)$ et admet en ce
point une tangente parallèle à l'axe des abscisses. 
 
\partie {B - \'Etude d'une solution particulière de l'équation différentielle $(E)$}
 
Soit $f$ la fonction définie sur $\rset $ par :
$$
   f(x) = 2 e^{2 x} (1 - 2 x).
$$
On appelle $C$ la courbe représentative de $f$ dans un repère
orthonormal ; unité graphique~: $2\cm $. 
 
\itemitemalphnum \' Etudier la limite de $f$ en $+\infty $
 
\itemitemalph \' Etudier la limite de $f$ en $-\infty $ .
 
\itemitem {} En déduire que $C$ admet une asymptote (que l'on
précisera). Préciser la position de $C$ par rapport à cette asymptote. 
 
\itemnum  \' Etudier les variations de la fonction $f$ sur $\rset $.
 
\itemnum  Tracer la courbe $C$.
 
\itemnum  \` A l'aide d'une intégration par parties, déterminer
l'aire, exprimée en $\cm ^2$, du domaine limité par $C$, l'axe des
abscisses et les droites d'équations $x = - 2$ et $x = 0$. Donner la
valeur de cette aire arrondie au $\mm ^2$.
 
 
\finexo
 
\corrige
 
\let \partie \llappartie
 
\partie {A}
%
\vskip -5mm
\itemnum L'équation caractéristique est $r^2 - 3r + 2 = 0$. Son
discriminant est $\Delta = 1$, d'où les $2$~racines $r_1 = 2$ et $r_2
= 1$. La solution générale de $(E')$ est donc \dresultat {y_0 (x) =
Ae^x + Be^{2x}}, où $A$ et $B$ sont des constantes réelles quelconques.
 
\itemnum On trouve
$$
   g (x) = ax e^{2x},
      \qquad \qquad
   g' (x) = (2ax + a) e^{2x},
      \qquad \qquad
   g'' (x) = (4ax + 4a) e^{2x}.
$$
D'où
$$\eqalign {
   g'' - 3g' + 2 g
      &= \big( (4ax + 4a) - 3(2ax + a) + 2ax  \big) e^{2x}
\cr
      &= a e^{2x}
\cr
}$$
Pour avoir $g$ solution de $(E)$, il faut avoir $a = -4$, d'où la
solution particulière de $(E)$~: \dresultat {g (x) = -4xe^{2x}}.
 
\itemalphnum La solution générale de $(E)$ est donc 
\dresultat {y (x) = -4xe^{2x} + Ae^x + Be^{2x}}, où $A$ et $B$ sont des
constantes réelles quelconques. 
 
\itemalph La fonction $f$ est solution de $(E)$, et vérifie \dresultat
{f (0) = 2} et \dresultat {f' (0) = 2}. Comme on a $y' (x) = -4e^{2x} 
-8xe^{2x} + Ae^x + 2Be^{2x}$, on en déduit le système
$$\displaylines {
   \cases {
      f (0) = 2
   \cr
      f' (0) = 0
   \cr}
      \quad \Longrightarrow \quad
   \matrix {
      \eightpoint \rm (1)\cr 
      \eightpoint \rm (2)\cr}
   \cases {
      A + B = 2
   \cr
      -4 + A + 2B = 0
   \cr}
      \quad \Longrightarrow \quad
   \matrix {
      \cr 
      \eightpoint \rm (2) - (1)\cr}
   \cases {
      A + B = 2
   \cr
      -4 + B = -2
   \cr}
 \cr
     \quad \Longrightarrow \quad
   (A, B) = (0, 2)
}$$
d'où la solution cherchée~: \dresultat {f (x) = -4xe^{2x} + 2e^{2x}},
soit encore \dresultat {f (x) = 2e^{2x} (1-2x)}. 
 
\partie {B}
%
\vskip -5mm
\itemalphnum On a 
\dresultat {
   \lim _{x\to +\infty } f (x) = -\infty
}
car $f (x) = 2e^{2x} (1-2x)$
avec $\lim _{+\infty } 2e^{2x} = +\infty $
et $\lim _{+\infty } (1-2x) = -\infty $.
 
\itemalph On a 
\dresultat {
   \lim _{x\to -\infty } f (x) = 0
}
car $f (x) = 2e^{2x} (1-2x)$
avec $\lim _{-\infty } 2e^{2x} = 0$
(en l'$\infty $, l'exponentielle l'emporte sur le polynôme).
 
\item {} On en déduit que l'axe $Ox$, d'équation \tresultat {$y=0$ est
asymptote horizontale} à la courbe de $f$.
Une étude du signe de $f (x)$ nous donne la position par rapport à
$Ox$~:
$$\dresultat {
\vcenter{\offinterlineskip \halign{
   % preamble
      & \cc {$#$}& #& $#$ & \cc {$#$}& \cc {$#$}& \cc {$#$}&
\cc {$#$}& $#$
   \cr
      x& \tv & \, -\infty && 1/2 && +\infty 
   \cr
   \noalign{\hrule}
      2e^{2x} & \tv && + &\tv & + &
   \cr
   \noalign{\hrule}
      1-2x & \tv && + & 0 & - &
   \cr
   \noalign{\hrule}
      f (x) & \tv && + & 0 & - &
   \cr
   \noalign{\hrule}
      \tvi height 15pt depth 10pt \hbox {positions relatives}& \tv && 
      \matrix{C_f {\rm \ au}\cr {\rm dessus\ de\ } Ox }& \tv &
      \matrix{C_f {\rm \ au}\cr {\rm dessous\ de\ } Ox }
   \cr
}}  
}$$
 
\itemnum Il vient $f' (x) = 4e^{2x}(1-2x) - 4e^{2x}$, soit \dresultat
      {f' (x) = -8xe^{2x}} du signe de $-8x$ car $e^{2x}$ est toujours
      positif. D'où le tableau~:
$$\vcenter {\offinterlineskip \eightpoint \rm 
   \def \cc#1{ \hfil #1 \hfil }
   \halign {
   % preamble
      \cc {$#$}& #\tv && \cc {$#$}
   \cr
      x&& -\infty && 0&& +\infty
   \cr
   \noalign {\hrule height 1pt }
      f' (x)&& &+& 0& -
   \cr
   \noalign {\hrule height 1pt}
      \buucenter {$f (x)$}&& \down {$0$}&
      \brightuuparrow & \buup {$2$}&
      \brightddownarrow & \down{$-\infty $}
   \cr
}}
$$
 
\def \epspath{%
   $HOME/tex_doc/lycee/database/btsmai/analyse/equadiff/}
\itemnum Et la courbe~:
$$
   \superboxepsillustrate {equ2_029.ps}
$$
 
\itemnum L'unité d'aire étant de $2\cm \times 2\cm = 4\cm ^2$, nous
avons donc
$$\displaylines {
   {\cal A} = 4\times \int _{-2}^0 f (x) \,dx
   = 4\times \int _{-2}^0 2e^{2x} (1-2x) \,dx
\cr
      \hbox {du type} \quad
      \int U'V
      \quad {\rm avec} \quad
   \cases {
      U' = 2e^{2x}
   \cr
      V = 1-2x
   \cr}
      \quad \Longrightarrow \quad
   \cases {
      U = e^{2x}
   \cr
      V' = -2
   \cr}
}$$
Le calcul de l'intégrale donne alors
$$\eqalign {
   \int _{-2}^0 2e^{2x} (1-2x) \,dx
   &= \Big[ e^{2x} (1-2x)\Big]_{-2}^0 - \int _{-2}^0 -2e^{2x} \,dx
\cr
   &= 1 - 5e^{-4} + \Big[ e^{2x}\Big] _{-2}^0  
   = 1 - 5e^{-4} + 1 - e^{-4}
\cr
   &= 2 - 6e^{-4} 
      \qquad {\rm d'où}\qquad
   \dresultat {{\cal A} = 8 - 12e^{-4} \cm ^2\approx 778\mm ^2}.
\cr
}$$
 
\fincorrige