Tle Mathématiques Fiche méthode

Résumé — Primitives et équations différentielles

Sommaire de la fiche
  1. Une équation dont l’inconnue est une fonction
  2. La notion de primitive
  3. Le tableau des primitives usuelles
  4. Les formes composées
  5. Les équations y′ = ay et y′ = ay + b
  6. Les pièges classiques

Un contrôle bientôt ? Faire mon plan de révision

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 yy et sa dérivée y′y' — par exemple y′=3yy' = 3y ou y′=−2y+4y' = -2y + 4. Résoudre l’équation, c’est trouver toutes les fonctions dérivables qui la vérifient. La plus simple est y′=fy' = f, où ff est une fonction donnée : ses solutions sont exactement les primitives de ff.

La notion de primitive

Une primitive de ff sur un intervalle II est une fonction FF dérivable sur II telle que F′=fF' = f. 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 x↦e−x2x \mapsto e^{-x^2}.
  • Unicité à une constante près : si FF est une primitive de ff, les primitives de ff sont exactement les F+CF + C avec C∈RC \in \mathbb{R}.

Pourquoi « à une constante près » ? (démonstration éclair)

Si FF et GG sont deux primitives de ff sur II, alors (F−G)′=f−f=0(F - G)' = f - f = 0 : la fonction F−GF - G a une dérivée nulle sur un intervalle, donc elle est constante. Conséquence pratique : une condition initiale du type F(x0)=y0F(x_0) = y_0 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 ffUne primitive FFSur
xnx^n (n∈Zn \in \mathbb{Z}, n≠−1n \neq -1)xn+1n+1\dfrac{x^{n+1}}{n+1}R\mathbb{R} si n≥0n \geq 0, ]0 ; +∞[]0\,;\,+\infty[ sinon
1x2\dfrac{1}{x^2}−1x-\dfrac{1}{x}]0 ; +∞[]0\,;\,+\infty[
1x\dfrac{1}{\sqrt{x}}2x2\sqrt{x}]0 ; +∞[]0\,;\,+\infty[
1x\dfrac{1}{x}ln⁡(x)\ln(x)]0 ; +∞[]0\,;\,+\infty[
exe^xexe^xR\mathbb{R}
sin⁡(x)\sin(x)−cos⁡(x)-\cos(x)R\mathbb{R}
cos⁡(x)\cos(x)sin⁡(x)\sin(x)R\mathbb{R}

Le réflexe en or : pour vérifier une primitive, dérive-la. Si tu retombes sur ff, 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 (v′∘u)×u′(v' \circ u) \times u' est v∘uv \circ u. En pratique, trois formes à repérer :

  • u′euu'e^u a pour primitive eue^u — exemple : (2x+1) ex2+x(2x+1)\,e^{x^2+x} a pour primitive ex2+xe^{x^2+x} ;
  • u′unu'u^n (n≠−1n \neq -1) a pour primitive un+1n+1\dfrac{u^{n+1}}{n+1} — exemple : x(x2+1)3=12×2x(x2+1)3x(x^2+1)^3 = \dfrac{1}{2} \times 2x(x^2+1)^3 a pour primitive (x2+1)48\dfrac{(x^2+1)^4}{8} ;
  • u′u\dfrac{u'}{u} (avec u>0u > 0) a pour primitive ln⁡(u)\ln(u) — exemple : 2xx2+3\dfrac{2x}{x^2+3} a pour primitive ln⁡(x2+3)\ln(x^2+3).

Le jeu consiste à repérer uu, puis à vérifier que u′u' 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)

y′=ay:y(x)=Ceaxy′=ay+b:y(x)=Ceax−bay' = ay : \quad y(x) = Ce^{ax} \qquad\qquad y' = ay + b : \quad y(x) = Ce^{ax} - \frac{b}{a}

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, x↦Ceaxx \mapsto Ce^{ax} est bien solution, car (Ceax)′=aCeax(Ce^{ax})' = aCe^{ax}. Réciproquement, si ff est solution de y′=ayy' = ay, pose g(x)=f(x) e−axg(x) = f(x)\,e^{-ax} : alors g′(x)=(f′(x)−af(x))e−ax=0g'(x) = \big(f'(x) - af(x)\big)e^{-ax} = 0, donc gg est constante, et f(x)=Ceaxf(x) = Ce^{ax}. Aucune solution n’échappe au filet.

Allure des courbes : si a>0a > 0, les solutions non nulles s’éloignent de 00 à toute vitesse (croissance exponentielle) ; si a<0a < 0, elles tendent toutes vers 00 en +∞+\infty. Et quand l’équation est y′=ayy' = ay, la somme de deux solutions et le produit d’une solution par une constante sont encore des solutions.

Pour y′=ay+by' = ay + b, la méthode tient en trois étapes :

  1. Solution particulière constante : on cherche yy constante, donc y′=0y' = 0, d’où 0=ay+b0 = ay + b et y=−bay = -\dfrac{b}{a}.
  2. Toutes les solutions : la solution particulière plus les solutions de y′=ayy' = ay, soit y(x)=Ceax−bay(x) = Ce^{ax} - \dfrac{b}{a}.
  3. Condition initiale : y(x0)=y0y(x_0) = y_0 fixe la valeur de CC.

Comportement en +∞+\infty : si a<0a < 0, alors eax→0e^{ax} \to 0 et toutes les solutions tendent vers −ba-\dfrac{b}{a}, la solution d’équilibre — la température du café rejoint celle de la pièce, la vitesse du parachutiste se stabilise. Si a>0a > 0, les solutions s’écartent de l’équilibre.

Le même principe se généralise : pour y′=ay+fy' = ay + f, si l’on connaît une solution particulière ypy_p, toutes les solutions sont les yp+Ceaxy_p + Ce^{ax}.

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 sin⁡\sin est −cos⁡-\cos, celle de cos⁡\cos est sin⁡\sin — les signes s’inversent par rapport à la dérivation. Pour y′=ay+by' = ay + b, la solution particulière est −ba-\dfrac{b}{a}, avec un signe moins. Enfin, dans CeaxCe^{ax}, la constante est en facteur : les solutions de y′=ayy' = ay sont les CeaxCe^{ax}, pas les eax+Ce^{ax} + C.

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