Mathématiques · 2ème Année Bac — Sciences Mathématiques A
Équations différentielles
Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.
📘 Fiche de cours
L'essentiel du cours
Dans le programme de 2ème année Bac Sciences Mathématiques, nous étudions les équations différentielles linéaires du premier et du second ordre à coefficients constants.
Équation du premier ordre : $y' = ay + b$
La solution générale est $y(x) = C e^{ax} - \frac{b}{a}$ (si $a \neq 0$).
Si $a=0$, $y' = b \implies y(x) = bx + C$.
Équation du second ordre : $ay'' + by' + cy = 0$
On résout l'équation caractéristique : $ar^2 + br + c = 0$.
Identification : Reconnaître la forme de l'équation pour choisir la méthode.
Détermination des constantes : Utiliser les conditions initiales (ex: $y(x_0) = y_0$ et $y'(x_0) = y'_0$) pour trouver les valeurs de $\alpha$ et $\beta$.
Réduction : Savoir transformer une équation donnée pour la ramener à une forme connue.
Exemples corrigés
Exemple 1 : $y' - 3y = 0$. Ici $a=3, b=0$. Solution : $y(x) = C e^{3x}$.
Est-ce que les coefficients a, b, c peuvent être des fonctions de x ?
Dans le programme de 2ème Bac SM, nous ne traitons que les équations à coefficients constants. Si les coefficients dépendent de $x$, c'est hors programme.
💡 À retenir : $a, b, c \in \mathbb{R}$.
Est-ce qu'on doit toujours trouver une solution unique ?
Non, l'équation différentielle possède une infinité de solutions. Ce sont les "conditions initiales" (ex: $y(0)=1$) qui permettent de fixer les constantes et d'obtenir une solution unique.
💡 À retenir : Sans conditions initiales, la solution générale contient toujours des constantes arbitraires.
Kifach n7seb l'equation caractéristique ila kan y' makaynach?
Si le terme $y'$ est absent (ex: $y'' + 4y = 0$), le coefficient $b$ est nul. L'équation devient $ar^2 + c = 0$. Tu résous comme une équation classique : $r^2 = -c/a$.
💡 À retenir : Le coefficient de $r$ est toujours celui de $y'$. S'il est absent, il vaut 0.
Est-ce que l'ordre de r1 et r2 dans y(x) = alpha e^{r1 x} + beta e^{r2 x} est important ?
Non, l'ordre n'a aucune importance car $\alpha$ et $\beta$ sont des constantes réelles quelconques. Que tu écrives $\alpha e^x + \beta e^{2x}$ ou $\beta e^{2x} + \alpha e^x$, c'est la même chose.
💡 À retenir : Les constantes s'ajustent automatiquement selon les conditions initiales.
Wach darouri n7fozo les formules dyal Delta ?
Oui, absolument. Pour les équations du second ordre, tout dépend du signe de $\Delta = b^2 - 4ac$. C'est la base pour savoir si la solution contient des exponentielles, des polynômes ou des fonctions trigonométriques.
💡 À retenir : $\Delta$ est la clé de voûte de la résolution des équations du second ordre.
Comment savoir si je dois utiliser cos et sin ?
Tu les utilises uniquement quand $\Delta < 0$. Dans ce cas, les racines sont complexes : $r = p \pm iq$. La solution fait intervenir $e^{px}$ multiplié par une combinaison de $\cos(qx)$ et $\sin(qx)$.
💡 À retenir : $\Delta < 0 \implies$ Oscillations (cos/sin).
Chno hiya l'etape li katji mor l'equation caractéristique ?
Après avoir trouvé les racines $r_1$ et $r_2$, tu écris immédiatement la forme générale de la solution en remplaçant $r$ par les valeurs trouvées. Ensuite, tu utilises les conditions initiales pour trouver $\alpha$ et $\beta$.
💡 À retenir : Équation $\to$ Racines $\to$ Forme générale $\to$ Conditions initiales.
Est-ce que y'' = y est une équation différentielle ?
Oui, c'est une équation du second ordre. Tu l'écris sous la forme $y'' - y = 0$. L'équation caractéristique est $r^2 - 1 = 0$, donc $r = 1$ ou $r = -1$.
💡 À retenir : Toujours ramener l'équation à la forme $ay'' + by' + cy = 0$ avant de commencer.
Si Delta = 0, pourquoi on multiplie par x ?
C'est une règle mathématique pour obtenir deux solutions linéairement indépendantes. Sans le $x$, on aurait deux fois la même solution, ce qui ne permettrait pas de couvrir toutes les solutions possibles.
💡 À retenir : Racine double $\implies (\alpha x + \beta)e^{r_0 x}$.
Est-ce que y(x) = C e^{ax} est toujours la solution de y' = ay ?
Oui, c'est la solution fondamentale. Si tu as $y' = ay + b$, la solution est $y(x) = C e^{ax} - b/a$.
💡 À retenir : Ne pas oublier le terme constant $-b/a$ quand $b \neq 0$.
Wach momkin nakhdo y(0) o y'(0) f nafs lwa9t ?
Oui, c'est même très fréquent. On te donne souvent $y(0)$ et $y'(0)$ pour déterminer les deux constantes $\alpha$ et $\beta$ d'une équation du second ordre.
💡 À retenir : Deux constantes nécessitent deux conditions.
Est-ce que la solution peut être une fonction constante ?
Oui, si les conditions initiales sont nulles ou si l'équation le permet. Par exemple, pour $y' = 0$, la solution est $y(x) = C$ (une constante).
💡 À retenir : Une fonction constante est un cas particulier de solution.
Dans le programme de 2ème année Bac Sciences Mathématiques, nous étudions les équations différentielles linéaires du premier et du second ordre à coefficients constants.
Équation du premier ordre : y′=ay+b
La solution générale est y(x)=Ceax−ab (si a=0).
Si a=0, y′=b⟹y(x)=bx+C.
Équation du second ordre : ay′′+by′+cy=0
On résout l'équation caractéristique : ar2+br+c=0.
Si Δ>0 (deux racines r1,r2) : y(x)=αer1x+βer2x.
Si Δ=0 (racine double r0) : y(x)=(αx+β)er0x.
Si Δ<0 (racines complexes p±iq) : y(x)=epx(αcos(qx)+βsin(qx)).
Méthodes à maîtriser
Identification : Reconnaître la forme de l'équation pour choisir la méthode.
Détermination des constantes : Utiliser les conditions initiales (ex: y(x0)=y0 et y′(x0)=y0′) pour trouver les valeurs de α et β.
Réduction : Savoir transformer une équation donnée pour la ramener à une forme connue.
Exemples corrigés
Exemple 1 :y′−3y=0. Ici a=3,b=0. Solution : y(x)=Ce3x.
Se tromper dans le signe de Δ ou dans la formule de la solution complexe.
Confondre la solution de l'équation homogène avec une solution particulière (non exigée ici, mais attention à la structure).
Quelle est la solution de y′=2y ?
y=Ce2x
y=Ce−2x
y=2x+C
y=Cex
Dans le programme de 2ème Bac SM, nous ne traitons que les équations à coefficients constants. Si les coefficients dépendent de x, c'est hors programme.
💡 À retenir : a,b,c∈R.
Non, l'équation différentielle possède une infinité de solutions. Ce sont les "conditions initiales" (ex: y(0)=1) qui permettent de fixer les constantes et d'obtenir une solution unique.
💡 À retenir : Sans conditions initiales, la solution générale contient toujours des constantes arbitraires.
Si le terme y′ est absent (ex: y′′+4y=0), le coefficient b est nul. L'équation devient ar2+c=0. Tu résous comme une équation classique : r2=−c/a.
💡 À retenir : Le coefficient de r est toujours celui de y′. S'il est absent, il vaut 0.
Non, l'ordre n'a aucune importance car α et β sont des constantes réelles quelconques. Que tu écrives αex+βe2x ou βe2x+αex, c'est la même chose.
💡 À retenir : Les constantes s'ajustent automatiquement selon les conditions initiales.
Oui, absolument. Pour les équations du second ordre, tout dépend du signe de Δ=b2−4ac. C'est la base pour savoir si la solution contient des exponentielles, des polynômes ou des fonctions trigonométriques.
💡 À retenir : Δ est la clé de voûte de la résolution des équations du second ordre.
Tu les utilises uniquement quand Δ<0. Dans ce cas, les racines sont complexes : r=p±iq. La solution fait intervenir epx multiplié par une combinaison de cos(qx) et sin(qx).
💡 À retenir : Δ<0⟹ Oscillations (cos/sin).
Après avoir trouvé les racines r1 et r2, tu écris immédiatement la forme générale de la solution en remplaçant r par les valeurs trouvées. Ensuite, tu utilises les conditions initiales pour trouver α et β.
💡 À retenir : Équation → Racines → Forme générale → Conditions initiales.
Oui, c'est une équation du second ordre. Tu l'écris sous la forme y′′−y=0. L'équation caractéristique est r2−1=0, donc r=1 ou r=−1.
💡 À retenir : Toujours ramener l'équation à la forme ay′′+by′+cy=0 avant de commencer.
C'est une règle mathématique pour obtenir deux solutions linéairement indépendantes. Sans le x, on aurait deux fois la même solution, ce qui ne permettrait pas de couvrir toutes les solutions possibles.
💡 À retenir : Racine double ⟹(αx+β)er0x.
Oui, c'est la solution fondamentale. Si tu as y′=ay+b, la solution est y(x)=Ceax−b/a.
💡 À retenir : Ne pas oublier le terme constant −b/a quand b=0.
Oui, c'est même très fréquent. On te donne souvent y(0) et y′(0) pour déterminer les deux constantes α et β d'une équation du second ordre.
💡 À retenir : Deux constantes nécessitent deux conditions.
Oui, si les conditions initiales sont nulles ou si l'équation le permet. Par exemple, pour y′=0, la solution est y(x)=C (une constante).
💡 À retenir : Une fonction constante est un cas particulier de solution.