Primitives et équations différentielles
Résumé de cours
Primitives et équations différentielles Mathématiques · Tle · Les Génies des Sciences · geniesdessciences.com
Un café qui refroidit, un parachutiste qui atteint sa vitesse limite, une population de bactéries qui double régulièrement : la physique et la biologie décrivent ces phénomènes par des équations d’un genre nouveau, où l’inconnue n’est pas un nombre mais une fonction. Ce sont les équations différentielles — et pour les résoudre, il faut d’abord apprendre à faire la dérivation… à l’envers. C’est la notion de primitive.
Une équation dont l’inconnue est une fonction
Une équation différentielle relie une fonction inconnue et sa dérivée — par exemple ou . Résoudre l’équation, c’est trouver toutes les fonctions dérivables qui la vérifient. La plus simple est , où est une fonction donnée : ses solutions sont exactement les primitives de .
La notion de primitive
Une primitive de sur un intervalle est une fonction dérivable sur telle que . Deux résultats structurent tout le chapitre :
- Existence (admise ici, démontrée au chapitre du calcul intégral) : toute fonction continue sur un intervalle admet des primitives. Certaines n’ont pourtant pas d’expression explicite : c’est le cas pour .
- Unicité à une constante près : si est une primitive de , les primitives de sont exactement les avec .
Pourquoi « à une constante près » ? (démonstration éclair)
Si et sont deux primitives de sur , alors : la fonction a une dérivée nulle sur un intervalle, donc elle est constante. Conséquence pratique : une condition initiale du type fixe la constante — il existe une unique primitive qui la vérifie.
Le tableau des primitives usuelles
La recherche de primitive, c’est la lecture à l’envers du tableau des dérivées :
| Fonction | Une primitive | Sur |
|---|---|---|
| (, ) | si , sinon | |
Le réflexe en or : pour vérifier une primitive, dérive-la. Si tu retombes sur , c’est gagné — aucune hésitation ne résiste à ce test.
Les formes composées
La formule de dérivation des fonctions composées, lue à l’envers, donne : une primitive de est . En pratique, trois formes à repérer :
- a pour primitive — exemple : a pour primitive ;
- () a pour primitive — exemple : a pour primitive ;
- (avec ) a pour primitive — exemple : a pour primitive .
Le jeu consiste à repérer , puis à vérifier que est en facteur — quitte à ajuster une constante multiplicative, comme dans le deuxième exemple.
Les équations y′ = ay et y′ = ay + b
Les solutions (a ≠ 0)
C est une constante réelle quelconque : il y a une infinité de solutions. Une condition initiale y(x₀) = y₀ fixe C — la solution devient unique.
D’où sort Ce^(ax) ? (démonstration éclair)
D’abord, est bien solution, car . Réciproquement, si est solution de , pose : alors , donc est constante, et . Aucune solution n’échappe au filet.
Allure des courbes : si , les solutions non nulles s’éloignent de à toute vitesse (croissance exponentielle) ; si , elles tendent toutes vers en . Et quand l’équation est , la somme de deux solutions et le produit d’une solution par une constante sont encore des solutions.
Pour , la méthode tient en trois étapes :
- Solution particulière constante : on cherche constante, donc , d’où et .
- Toutes les solutions : la solution particulière plus les solutions de , soit .
- Condition initiale : fixe la valeur de .
Comportement en : si , alors et toutes les solutions tendent vers , la solution d’équilibre — la température du café rejoint celle de la pièce, la vitesse du parachutiste se stabilise. Si , les solutions s’écartent de l’équilibre.
Le même principe se généralise : pour , si l’on connaît une solution particulière , toutes les solutions sont les .
Les pièges classiques
La constante oubliée (et les signes inversés)
« Une » primitive n’est pas « la » primitive : sans condition initiale, n’oublie jamais qu’il y a une infinité de primitives, à constante près — et avec une condition initiale, n’oublie pas de calculer cette constante. Ne confonds pas dériver et primitiver : la primitive de est , celle de est — les signes s’inversent par rapport à la dérivation. Pour , la solution particulière est , avec un signe moins. Enfin, dans , la constante est en facteur : les solutions de sont les , pas les .