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equ2_033.tex

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\exo {\' Equation différentielle, étude de fonction, {\sl
bts mai, session 2006}} 
 
\centerline {\bf Les trois parties de cet exercice peuvent être
traitées de façon indépendante.}
 
\let \partie \centerpartie
 
\partie {A - Résolution d'une équation différentielle}
 
On considère l'équation différentielle
$$
   y'' - 3y' - 4y = -5e^{-x} 
\leqno (E)
$$
où $y$ est une fonction de la variable $x$, définie et deux fois
dérivable sur $\rset $, $y'$ la fonction dérivée de $y$, et $y''$ sa
fonction dérivée seconde.
 
\itemnum Déterminer les solutions sur $\rset $ de l'équation
différentielle~:
$$
   y'' - 3y' - 4y = 0
\leqno (E_0)
$$
 
\itemnum Soit $h$ la fonction définie sur $\rset $ par~: \qquad
$h (x) = xe^{-x}$.
 
\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 $(E)$ qui vérifie
les conditions initiales $f (0) = 2$ et $f' (0) = -1$.
 
\partie {B - \' Etude locale d'une fonction}
 
La courbe $C$ ci-dessous est la représentation graphique, dans un
repère orthonormal $(O; \vec \imath , \vec \jmath \/)$, de la fonction
$f$ définie sur $\rset $ par $f (x) = (x + 2) e^{-x}$.
\def \epspath {
   $HOME/tex_doc/lycee/database/btsmai/analyse/equadiff/}
$$
   \superboxepsillustrate {equ2_033.ps}
$$
 
\itemnum Démontrer que le développement limité à l'ordre $3$, au
voisinage de $0$, de la fonction $f$ est
$$
   f (x) = 2 - x + {x^3\over 6} + x^3 \varepsilon (x)
      \qquad {\rm avec} \qquad
   \lim _{x \to 0} \varepsilon (x) = 0.
$$
 
\itemnum Déduire du {\bf 1.} une équation de la tangente $T$ à la
      courbe $C$ au point d'abscisse $0$.
 
\itemnum \' Etudier la position relative de $C$ et $T$ au voisinage du
point d'abscisse $0$.
 
\partie {C - Calcul intégral}
 
On note 
$\displaystyle {
   I = \int _0^{0,6} f (x) \, dx
}$.
 
\itemnum \` A l'aide d'une intégration par parties, démontrer que $I =
3 - 3, 6 e^{-0, 6}$.
 
\itemnum Donner la valeur approchée arrondie à $10^{-3}$ de $I$.
 
\itemnum Donner une interprétation graphique du nombre $I$.
 
\finexo
 
\corrige
 
\let \partie \llappartie
 
\partie {A}
\vskip -5mm
%
\itemnum L'équation caractéristique associée à $(E_0)$ est~: $r^2 - 3r
- 4 = 0$, de discriminant $\Delta = 25$, d'où les $2$~racines $x_1 =
  4$ et $x_2 = -1$. D'où la \tresultat {solution générale de $(E_0)$~: 
  $y_0 = A e^{4x} + Be^{-x}, A, B \in \rset $}.
 
\itemnum On a 
$$
   h (x) = xe^{-x},
      \qquad \qquad 
   h' (x) = (1-x) e^{-x},
      \qquad {\rm et}\qquad 
   h'' (x) = (x-2) e^{-x}
$$
d'où 
$$\eqalign {
   h'' - 3h' - 4h &=
      \big( (x-2) -3 (1-x) - 4x\big) e^{-x}
\cr
      &= -5e^{-x}
}$$
ce qui prouve que \tresultat {$h (x) = xe^{-x}$ est solution
particulière de $(E)$}.
 
\itemnum Donc \tresultat {la solution générale de $(E)$ est $y (x) =
xe^{-x} + A e^{4x} + Be^{-x}, A, B \in \rset $} 
 
\itemnum En partant du résultat ci-dessus, on obtient 
$$
   y' (x) = (1-x) e^{-x} + 4Ae^{4x} - Be^{-x}.
$$
Les conditions initiales nous imposent alors le système
$$
   \cases {
      f (0) = 2
   \cr 
      f' (0) = -1
   \cr }
      \Leftrightarrow 
   \cases {
      A + B = 2
   \cr 
      1 + 4A - B = -1
   \cr }
      \Leftrightarrow 
   \matrix {
      \eightpoint \rm (1)
   \cr
      \eightpoint \rm (2)
   \cr }
   \cases {
      A + B = 2
   \cr 
      4A - B = -2
   \cr }
      \Leftrightarrow 
   \matrix {
      \eightpoint \rm (1) + (2)
   \cr
   \cr }
   \cases {
      5A = 0
   \cr 
      4A - B = -2
   \cr }
$$
d'où l'on tire $(A, B) = (0, 2)$, d'où la \tresultat {solution
particulière cherchée~: $f (x) = (x+2) e^{-x}$}.
 
\partie {B}
\vskip -5mm
%
\itemnum En utilisant le formulaire, il vient
$$
   e^{-x} = 1 - x + {x^2\over 2} - {x^3\over 6} + x^3\varepsilon (x)
      \qquad {\rm avec} \quad
   \lim _{x\to 0} \varepsilon (x) = 0.
$$
Multiplions maintenant cette égalité par $(x+2)$, on obtient
$$\eqalign {
   (x-2) e^{-x} 
      &= (x+2) \left( 1 - x + {x^2\over 2} - {x^3\over 6} \right) + x^3\varepsilon (x)
      \qquad {\rm avec} \quad
   \lim _{x\to 0} \varepsilon (x) = 0
\cr
   &= x - x^2 + {x^3\over 2} + 2 - 2x + x^2 - {x^3\over 3} + x^3\varepsilon (x)
      \qquad {\rm avec} \quad
   \lim _{x\to 0} \varepsilon (x) = 0
\cr
   &= \dresultat {f (x) = 2 - x + {x^3\over 6} + x^3\varepsilon (x)
      \qquad {\rm avec} \quad
   \lim _{x\to 0} \varepsilon (x) = 0}
\cr
}$$
 
\itemnum L'équation de la tangente cherchée est le développement
limité d'ordre 1 en $0$ de $f (x)$. D'où l'équation cherchée~:
\dresultat {T~: y = 2-x}.
 
\itemnum \' Etudier la position relative de $C$ et $T$ revient à
étudier le signe de la différence $f (x) - T (x)$. Comme l'étude se
fait au voisinage de $0$, on peut utiliser le développement limité
précédent. D'où 
$$
   f (x) - T (x) = {x^3\over 6} + x^3\varepsilon (x)
      \qquad {\rm avec} \quad
   \lim _{x\to 0} \varepsilon (x) = 0
$$
Cette différence est du signe de $x^3$, et on conclue aisément~:
$$\dresultat {
\vcenter{\offinterlineskip \halign{
   % preamble
      & \cc {$#$}& #& $#$ & \cc {$#$}& \cc {$#$}& \cc {$#$}&
\cc {$#$}& $#$
   \cr
      x& \tv & \, && 0 && 
   \cr
   \noalign{\hrule}
      f (x) - T (x)& \tv && - & 0 & + &
   \cr
   \noalign{\hrule}
      \tvi height 15pt depth 10pt \hbox {positions relatives}& \tv && 
      \matrix{C_f {\rm \ au}\cr {\rm dessous\ de\ } T }& \tv &
      \matrix{C_f {\rm \ au}\cr {\rm dessus\ de\ } T }
   \cr
}}  
}$$
 
\partie {C}
\vskip -5mm
%
\itemnum \` A calculer l'intégrale
$$
   I = \int _0^{0, 6} \underbrace {(x+2)}_{U} \underbrace
   {e^{-x}}_{V'} \, dx
      \qquad {\rm avec} \qquad
   \cases {
      U' = 1
   \cr 
      V = -e^{-x}
   \cr }
$$
Il vient alors
$$\eqalign {
   I &= \Big[ - (x+2) e^{-x}\Big] _0^{0, 6} - \int _0^{0, 6} -e^{-x}\, dx
\cr
   &= \Big( -2, 6 e^{-0, 6} +2 \Big)  - \Big[ e^{-x}\Big] _0^{0, 6}
\cr
   &= \Big( -2, 6e^{-0, 6} +2 \Big)  - \Big( e^{-0, 6} - 1\Big)
      \qquad {\rm soit} \qquad
   \dresultat {I = 3 - 3,6e^{-0, 6}}.
\cr
}$$
 
\itemnum Il vient \dresultat {I \approx 1, 024}
 
\itemnum Ce nombre représente l'aire, en unité d'aire, du domaine plan
limité par la courbe de $f$, l'axe $Ox$, l'axe $Oy$ et la droite
verticale $x = 0, 6$ (aire hachurée sur le dessin ci-dessous).
\def \epspath {
   $HOME/tex_doc/lycee/database/btsmai/analyse/equadiff/}
$$
   \superboxepsillustrate {equ2_033a.ps}
$$
 
\fincorrige