Équations différentielles $y\' = ay + b$ : solution complète

Définition, méthode rigoureuse, exemples corrigés et exercice type BAC.

📚 Terminale Spécialité Maths ⏱ Lecture : 5 min ✅ Programme officiel BO 2019

Une équation différentielle est une équation dont l'inconnue est une fonction et qui fait intervenir cette fonction ainsi que certaines de ses dérivées. L'équation différentielle linéaire du premier ordre $y' = ay + b$ (où $a$ et $b$ sont des réels avec $a \neq 0$) a pour ensemble de solutions les fonctions $f$ définies sur $\mathbb{R}$ par $f(x) = C e^{ax} - \frac{b}{a}$, où $C$ est une constante réelle quelconque.

💡 Bon réflexe : Toujours vérifier l'identification des coefficients $a$ et $b$ et le signe de $- \frac{b}{a}$ pour éviter les erreurs de calcul.
xyO−b/ay = Ce^(ax) + (−b/a)Sol. particulière : −b/ay′ = ay+b ⟹ y tend vers −b/a
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Identifier les coefficients $a$ et $b$

La première étape consiste à bien identifier les valeurs des coefficients $a$ et $b$ dans l'équation différentielle donnée sous la forme $y' = ay + b$. Attention aux signes et aux réarrangements si l'équation n'est pas directement sous cette forme.

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Écrire la forme générale des solutions

Une fois $a$ et $b$ identifiés, on applique directement la formule du cours : les solutions générales sont de la forme $f(x) = C e^{ax} - \frac{b}{a}$, où $C$ est une constante réelle arbitraire. Il est crucial de ne pas oublier le terme constant $- \frac{b}{a}$.

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Déterminer la constante $C$ (si une condition initiale est donnée)

Si l'énoncé fournit une condition initiale (par exemple, la valeur de $f(x_0)$ pour un certain $x_0$), on utilise cette information pour trouver la valeur unique de la constante $C$. On remplace $x$ par $x_0$ et $f(x)$ par $f(x_0)$ dans l'expression générale de $f(x)$, puis on résout l'équation pour $C$. Par exemple, si $f(x_0) = y_0$, alors $y_0 = C e^{ax_0} - \frac{b}{a}$.

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Écrire la solution particulière (si $C$ a été déterminée)

Après avoir calculé $C$, on remplace cette valeur dans l'expression générale de $f(x)$ pour obtenir la solution particulière qui satisfait la condition initiale donnée. Cette solution est unique.

On considère l'équation différentielle $(E): y' = 2y - 6$. Déterminer l'ensemble des solutions de $(E)$, puis trouver la solution particulière $f$ de $(E)$ qui vérifie $f(0) = 5$.

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Identification des coefficients $a$ et $b$
L'équation différentielle est $y' = 2y - 6$. Elle est de la forme $y' = ay + b$.
On identifie $a = 2$ et $b = -6$.
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Écriture de la forme générale des solutions
L'ensemble des solutions de l'équation différentielle $y' = ay + b$ est donné par $f(x) = C e^{ax} - \frac{b}{a}$.
En substituant $a=2$ et $b=-6$, on obtient :
$$f(x) = C e^{2x} - \frac{-6}{2}$$
$$f(x) = C e^{2x} + 3$$
où $C$ est une constante réelle quelconque.
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Détermination de la constante $C$ à l'aide de la condition initiale
On cherche la solution particulière $f$ qui vérifie $f(0) = 5$.
On remplace $x$ par $0$ et $f(x)$ par $5$ dans l'expression générale :
$$5 = C e^{2 \times 0} + 3$$
$$5 = C e^0 + 3$$
Puisque $e^0 = 1$, on a :
$$5 = C \times 1 + 3$$
$$5 = C + 3$$
$$C = 5 - 3$$
$$C = 2$$
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Écriture de la solution particulière
En remplaçant $C$ par $2$ dans l'expression générale des solutions, on obtient la solution particulière :
$$f(x) = 2 e^{2x} + 3$$

L'ensemble des solutions de l'équation différentielle $y' = 2y - 6$ est $f(x) = C e^{2x} + 3$, où $C \in \mathbb{R}$.
La solution particulière qui vérifie $f(0) = 5$ est $f(x) = 2 e^{2x} + 3$.

  1. Oublier le terme constant $- \frac{b}{a}$ dans la solution générale. Ce terme est la solution particulière constante de l'équation.
  2. Faire une erreur de signe lors du calcul de $- \frac{b}{a}$, surtout si $b$ est négatif (par exemple, $- \frac{-6}{2} = 3$, et non $-3$).
  3. Confondre $a$ et $b$ ou mal identifier leurs valeurs si l'équation n'est pas directement sous la forme $y' = ay + b$ (ex: $y' - 2y = -6$ doit être réécrite en $y' = 2y - 6$).
  4. Erreur de calcul de $e^{ax_0}$ lors de la détermination de $C$, notamment $e^0 = 1$.

On modélise l'évolution de la température $T$ (en °C) d'un objet placé dans une pièce à température constante. La température de la pièce est de $20$ °C. À l'instant $t=0$ (en minutes), l'objet a une température de $80$ °C.

L'évolution de la température $T(t)$ de l'objet est modélisée par l'équation différentielle :

$$T'(t) = -0,1 (T(t) - 20)$$
  1. Montrer que l'équation différentielle peut s'écrire sous la forme $T'(t) = a T(t) + b$, en précisant les valeurs de $a$ et $b$.
  2. Déterminer l'ensemble des solutions de cette équation différentielle.
  3. Déterminer la solution particulière $T(t)$ qui correspond à la situation décrite, en utilisant la condition initiale donnée.
  4. Calculer la température de l'objet au bout de $10$ minutes (arrondir au dixième de degré près).
  1. L'équation différentielle donnée est $T'(t) = -0,1 (T(t) - 20)$.

    On développe le membre de droite :

    $$T'(t) = -0,1 T(t) + (-0,1) × (-20)$$

    $$T'(t) = -0,1 T(t) + 2$$

    Cette équation est bien de la forme $T'(t) = a T(t) + b$ avec $a = -0,1$ et $b = 2$.

  2. L'ensemble des solutions de l'équation différentielle $T'(t) = a T(t) + b$ est donné par $T(t) = C e^{at} - \frac{b}{a}$.

    Avec $a = -0,1$ et $b = 2$, on a :

    $$T(t) = C e^{-0,1t} - \frac{2}{-0,1}$$

    $$T(t) = C e^{-0,1t} + 20$$

    où $C$ est une constante réelle quelconque.

  3. La condition initiale est qu'à l'instant $t=0$, la température de l'objet est de $80$ °C, soit $T(0) = 80$.

    On utilise l'expression générale des solutions et on remplace $t$ par $0$ et $T(t)$ par $80$ :

    $$80 = C e^{-0,1 × 0} + 20$$

    $$80 = C e^0 + 20$$

    Puisque $e^0 = 1$ :

    $$80 = C × 1 + 20$$

    $$80 = C + 20$$

    $$C = 80 - 20$$

    $$C = 60$$

    La solution particulière est donc :

    $$T(t) = 60 e^{-0,1t} + 20$$

  4. Pour calculer la température de l'objet au bout de $10$ minutes, on remplace $t$ par $10$ dans l'expression de $T(t)$ trouvée à la question précédente :

    $$T(10) = 60 e^{-0,1 × 10} + 20$$

    $$T(10) = 60 e^{-1} + 20$$

    En utilisant une calculatrice :

    $$e^{-1} \approx 0,367879$$

    $$T(10) \approx 60 × 0,367879 + 20$$

    $$T(10) \approx 22,07274 + 20$$

    $$T(10) \approx 42,07274$$

    Arrondi au dixième de degré près, la température de l'objet au bout de $10$ minutes est de $42,1$ °C.

Questions fréquentes

Qu'est-ce qu'une équation différentielle ?
Une équation différentielle est une équation qui met en relation une fonction inconnue, sa variable et ses dérivées. Par exemple, $y' = 2y$ est une équation différentielle où $y$ est la fonction inconnue et $y'$ sa dérivée.
Pourquoi la solution générale contient-elle une constante $C$ ?
La constante $C$ apparaît car la dérivation "perd" de l'information (la dérivée d'une constante est nulle). Pour retrouver la fonction originale par intégration, il faut ajouter une constante d'intégration. Cette constante $C$ permet de représenter toutes les fonctions dont la dérivée satisfait l'équation différentielle.
Comment savoir si une équation différentielle est du premier ordre ?
Une équation différentielle est du premier ordre si la dérivée d'ordre le plus élevé qui apparaît dans l'équation est la dérivée première (par exemple, $y'$). Si elle contenait $y''$, elle serait du second ordre.
Peut-on avoir $a=0$ dans l'équation $y' = ay + b$ ?
Non, la formule $f(x) = C e^{ax} - \frac{b}{a}$ n'est valable que si $a \neq 0$. Si $a=0$, l'équation devient $y' = b$, dont les solutions sont simplement $y(x) = bx + C$ (par intégration directe). C'est un cas particulier qui n'est pas couvert par la formule générale des équations $y' = ay + b$ avec $a \neq 0$.

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