practicecalculus
Applications de l'intégrale

Équations différentielles : exercices corrigés avec réponses

12 exercices corrigés sur les équations différentielles : variables séparables, croissance exponentielle, refroidissement, modèle logistique, Euler.

Applications de l'intégrale Mis à jour Lecture : 5 min

En bref

\frac{dy}{dx} = g(x)\,h(y) \;\Rightarrow\; \int\frac{dy}{h(y)} = \int g(x)\,dx
Exercices
12, avec réponses et solutions détaillées
Niveau
Calculus 2 et AP Calculus, Unit 7
Prérequis
Les primitives, les logarithmes et les exponentielles
Idée clé
Séparer les variables, intégrer les deux membres, puis utiliser la condition initiale pour trouver C
S''entraîner avec de nouvelles valeurs
Leçon sur les équations à variables séparables
Sur cette page
  1. Exercices
  2. Réponses
  3. Solutions détaillées
  4. Erreurs fréquentes sur ces exercices
  5. Continuer à s'entraîner

Ces exercices sur les équations différentielles couvrent les équations à variables séparables, la croissance et la décroissance exponentielles, la loi de refroidissement de Newton, le modèle logistique, les solutions d'équilibre et la méthode d'Euler. Cherchez chaque exercice d'abord. Les réponses sont données en premier, puis viennent les solutions détaillées.

La méthode pour une équation à variables séparables :

\frac{dy}{dx} = g(x)\,h(y) \quad\Rightarrow\quad \int\frac{1}{h(y)}\,dy = \int g(x)\,dx

Séparez, intégrez les deux membres, ajoutez C, puis isolez y.

Exercices

Équations à variables séparables

  1. \dfrac{dy}{dx} = 6x^2, y(0) = 2
  2. \dfrac{dy}{dx} = 2xy, y(0) = 5
  3. \dfrac{dy}{dx} = \dfrac{x}{y}, y(0) = 3
  4. \dfrac{dy}{dx} = y^2, y(0) = 1
  5. \dfrac{dy}{dx} = y\cos x, y(0) = 2

Croissance et décroissance

  1. \dfrac{dy}{dt} = -0.2y, y(0) = 100. Calculez y(5).
  2. Un échantillon de 80 g a une demi-vie de 10 ans. Quelle quantité reste-t-il après 25 ans ?
  3. Une culture de bactéries compte 500 individus au départ et double toutes les 3 heures. Quand atteint-elle 8000 ?
  4. Un café à 90^\circC refroidit dans une pièce à 20^\circC selon \frac{dT}{dt} = -k(T - 20). Après 10 minutes, il est à 60^\circC. Quand atteindra-t-il 30^\circC ?

Étude qualitative et numérique

  1. Pour \dfrac{dP}{dt} = 0.4P\left(1 - \dfrac{P}{1000}\right), trouvez la capacité d'accueil et la population pour laquelle la croissance est la plus rapide.
  2. Trouvez les solutions d'équilibre de \dfrac{dy}{dx} = y(y - 3) et dites si chacune est stable.
  3. Utilisez la méthode d'Euler avec h = 0.1 et deux pas pour estimer y(0.2) pour \dfrac{dy}{dx} = x + y, y(0) = 1.

Réponses

Exercice Réponse
1 y = 2x^3 + 2
2 y = 5e^{x^2}
3 y = \sqrt{x^2 + 9}
4 y = \dfrac{1}{1 - x}
5 y = 2e^{\sin x}
6 y(5) = 100e^{-1} \approx 36.8
7 80\left(\frac{1}{2}\right)^{2.5} \approx 14.1 g
8 12 heures
9 t = \dfrac{10\ln 7}{\ln(7/4)} \approx 34.8 minutes
10 Capacité d'accueil 1000 ; croissance maximale en P = 500
11 y = 0 stable, y = 3 instable
12 y(0.2) \approx 1.22

Solutions détaillées

1. Pas besoin de séparer. Intégrez : y = 2x^3 + C. Comme y(0) = 2, C = 2.

2. Séparez : \frac{dy}{y} = 2x\,dx. Intégrez : \ln|y| = x^2 + C. Passez à l'exponentielle : y = Ae^{x^2}. Comme y(0) = 5, A = 5 :

y = 5e^{x^2}

3. Séparez : y\,dy = x\,dx. Intégrez : \frac{y^2}{2} = \frac{x^2}{2} + C, donc y^2 = x^2 + C'. Avec y(0) = 3, C' = 9. Prenez la racine positive car y(0) > 0 :

y = \sqrt{x^2 + 9}

4. Séparez : y^{-2}\,dy = dx. Intégrez : -\frac{1}{y} = x + C. Avec y(0) = 1, C = -1, donc -\frac{1}{y} = x - 1 :

y = \frac{1}{1 - x}

La solution explose en x = 1, alors que l'équation semble inoffensive.

5. Séparez : \frac{dy}{y} = \cos x\,dx. Intégrez : \ln|y| = \sin x + C, donc y = Ae^{\sin x}, et y(0) = 2 donne A = 2.

6. C'est \frac{dy}{dt} = ky avec k = -0.2, donc y = 100e^{-0.2t} :

y(5) = 100e^{-1} \approx 36.8

7. 25 ans représentent 2.5 demi-vies :

80\left(\tfrac{1}{2}\right)^{2.5} \approx 80(0.1768) \approx 14.1 \text{ g}

8. 8000 = 500\cdot 16 = 500\cdot 2^4. Cela fait 4 doublements de 3 heures chacun, donc 12 heures.

9. Posons D = T - 20. Alors \frac{dD}{dt} = -kD, donc T = 20 + 70e^{-kt}. En t = 10 : 40 = 70e^{-10k}, donc k = \frac{\ln(7/4)}{10} \approx 0.056. Pour T = 30 : 10 = 70e^{-kt}, donc e^{-kt} = \frac{1}{7} et :

t = \frac{\ln 7}{k} = \frac{10\ln 7}{\ln(7/4)} \approx 34.8 \text{ minutes}

10. L'équation est de la forme kP\left(1 - \frac{P}{L}\right) avec L = 1000. Le second membre est une parabole tournée vers le bas en P, de racines 0 et 1000, donc il est maximal au sommet, P = 500.

11. Posez y(y - 3) = 0 : y = 0 et y = 3. Entre les deux, y(y - 3) < 0, donc les solutions descendent vers 0. Au-dessus de 3, y(y - 3) > 0, donc les solutions montent en s'éloignant de 3. En dessous de 0, la pente est positive, donc les solutions montent vers 0. Ainsi 0 est stable et 3 instable.

12. Utilisez y_{n+1} = y_n + h\cdot f(x_n, y_n) :

  • Pas 1 : y_1 = 1 + 0.1(0 + 1) = 1.1
  • Pas 2 : y_2 = 1.1 + 0.1(0.1 + 1.1) = 1.22

La solution exacte est y = 2e^x - x - 1, donc y(0.2) \approx 1.2428. Ici, la méthode d'Euler sous-estime car les courbes solutions sont convexes.

Erreurs fréquentes sur ces exercices

  • Ajouter C trop tard. Dans l'exercice 2, y = e^{x^2} + C est faux. Ajoutez C juste après l'intégration.
  • Ne pas séparer complètement. \frac{dy}{dx} = x + y n'est pas à variables séparables. C'est pourquoi l'exercice 12 utilise la méthode d'Euler.
  • Se tromper d'unité de temps. Dans l'exercice 7, divisez 25 ans par la demi-vie de 10 ans avant d'utiliser la formule.
  • Utiliser T au lieu de T - 20. Dans les problèmes de refroidissement, l'exponentielle décrit l'écart avec la température ambiante.

Continuer à s'entraîner

Pour des exercices en nombre illimité avec correction immédiate, essayez la leçon sur les équations à variables séparables, la leçon sur la croissance et la décroissance, la leçon sur le modèle logistique et la leçon sur la méthode d'Euler. Pour voir ce qu'un champ de directions vous apprend avant de résoudre, essayez la leçon sur les champs de directions.

Entraîne-toi maintenant

Équations différentielles à variables séparables

Résous de vrais problèmes sur ce thème avec une correction immédiate, des indices et une solution pas à pas pour chaque réponse. Gratuit, sans inscription pour commencer.

S'entraîner sur cette leçon

Questions fréquentes

Qu'est-ce qu'une équation différentielle à variables séparables ?

C'est une équation qui peut s'écrire \frac{dy}{dx} = g(x)h(y), une fonction de x multipliée par une fonction de y. On peut alors diviser par h(y) et intégrer chaque membre séparément.

Pourquoi ajouter C avant d'isoler y ?

Parce que la constante est transformée en même temps que tout le reste. Dans l'exercice 2, \ln|y| = x^2 + C devient y = Ae^{x^2}, où A = \pm e^{C}. Ajouter C à la fin donnerait e^{x^2} + C, une fonction différente et fausse.

Que signifie la capacité d'accueil dans le modèle logistique ?

C'est la taille de population que le milieu peut supporter. Dans \frac{dP}{dt} = kP\left(1 - \frac{P}{L}\right), la population tend vers L, et sa croissance est la plus rapide quand P = \frac{L}{2}.

Rédigé par l'équipe PracticeCalculus

Nous créons des leçons d'analyse interactives et rédigeons chaque page pour qu'elle soit claire et juste. Tu as repéré une erreur ? Dis-le-nous et nous la corrigerons.