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equ2_019.tex

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\exo {La courbe est donnée}
 
\bgroup \sl 
 
Les buts de l'exercice sont~:
 
\itemitem {--} la détermination de la fonction $f$, définie sur
l'ensemble $\rset $ des nombres réels, dont la courbe représentative
$\Gamma $ dans un repère orthogonal $(O, \vec \imath , \vec \jmath )$
est tracée ci-dessous (unité graphiques~: 2~cm en abscisse, 1~cm en
ordonnée).
 
\itemitem {--} le calcul de l'aire du domaine hachuré.
 
\egroup
 
\def \epspath {%
   $HOME/tex_doc/lycee/database/btsmai/analyse/equadiff/}
 
On considère les quatres points $A (0, 3)$, $B (-1, 4)$, $C (-3, 0)$,
$D (1\, ; 0, 5)$ de la courbe $\Gamma $, ainsi que la droite $\Delta
$, tangente à $\Gamma $ au point $D$. La droite $\Delta $ passe par le
point $F (0\, ;3, 5)$.
$$
   \superboxepsillustrate {equ2_019.ps}
$$
 
\let \partie \llappartie
 
\partie {A}
%
On cherche d'abord une fonction polynôme $g$, définie sur $\rset $ par
$g (x) = ax^2 + bx + c$, où $a$, $b$ et $c$ sont trois nombres réels à
déterminer pour que la courbe $P$ de $g$ passe par les points $A$, $B$
et $C$.
 
\itemitemalphnum Montrer que la condition \og {\sl $C$ appartient à la
courbe $P$}\fg \ conduit à l'équation~: 
$$
   9a-3b+c=0.
$$
 
\itemitemalph En procédant de même pour $A$ et $B$, déterminer un
système de trois équations à trois inconnues vérifié par $a$, $b$,
$c$.
 
\itemitemalph Résoudre ce système et vérifier que~:
$$
   g (x) = -x^2 -2x +3.
$$
 
\itemnum On désigne par $g'$ la dérivée de $g$, et par $g''$ sa
fonction dérivée seconde.
 
\item {} Vérifier que, pour tout $x$ appartenant à $\rset $,
$$
   g'' (x) - 3g' (x) + 2g (x) = -2x^2 + 2x + 10.
$$
 
\partie {B}
%
On admet que $f$, représentée par $\Gamma $, est une solution de
l'équation différentielle
$$
   y''  - 3y'  + 2y = -2x^2 + 2x + 10
\leqno
   (E)
$$
dans laquelle $y$ est fonction de la variable $x$, définie et deux
fois dérivable sur $\rset $.
 
\itemitemalphnum Donner une solution particulière de $(E)$.
 
\itemitemalph Résoudre l'équation différentielle~:
$$
   y'' -3y' +2y = 0.
\leqno 
   (E')
$$
 
\itemitemalph Déterminer la solution générale de $(E)$.
 
\itemnum Préciser, à l'aide des données initiales, les valeurs de 
$$
   f (1)
      \qquad {\rm et} \qquad
   f' (1).
$$
En déduire que, pour tout $x$ appartenant à $\rset $,
$$
   f (x) = -x^2 - 2x + 3 + {1\over 2} e^{2(x-1)}.
$$
 
\itemnum Calculer l'aire, en $\cm ^2$, du domaine hachuré sur la
figure, et défini par $-2\leq x \leq -1$ et $0\leq y \leq f (x)$.
 
\item {} On donnera la valeur exacte de cette aire, puis sa valeur
décimale arrondie au $\mm ^2$.
 
\finexo
 
\corrige {}
 
\let \partie \llappartie
 
\partie {A}
\vskip -15pt
\itemalphnum La condition \og {\sl le point $C$ appartient à la courbe
$P$}\fg \ signifie que les coordonnées du point $C$ vérifient
l'équation de la courbe $P$. L'équation de la courbe étant $y = g
(x)$, on doit avoir $y_C = g (x_C)$. En utilisant les coordonnées
$(-3, 0)$ dans l'équation $y = ax^2 + bx + c$ il vient alors
\dresultat {9a-3b+c = 0}.
 
\itemalph \alph \ En procédant de même avec les points $A$ et $B$, on obtient
le système
$$
   \dresultat {\cases {
      c = 3
   \cr
      a-b+c = 4
   \cr
      9a-3b+c = 0
   \cr }}
      \qquad \Longleftrightarrow \qquad
   \cases {
      c = 3
   \cr
      b = -2
   \cr
      a = -1
   \cr }
      \qquad {\rm soit} \qquad
   \dresultat {g (x) = -x^2 -2x+3}
$$
 
\itemnum On a $g' (x) = -2x-2$ et $g'' (x) = -2$. On calcule alors
      $g'' -3g' + 2g$ pour trouver $-2x^2 + 2x + 10$. Ce qui prouve
      que la fonction $g$ vérifie \tresultat {$g'' -3g + 2g =
      -2x^2+2x+10$}. 
 
\partie {B}
\vskip -17pt
\itemalphnum On vient de voir que la fonction \tresultat {$g = -x^2-2x+3$ est une
      solution particulière de $(E)$} 
 
\itemalph On résoud maintenant l'équation sans second membre
$(E')$. On considère l'équation ca\-rac\-té\-ris\-ti\-que associée
$$
   r^2 - 3r + 2 = 0.
$$
Son discriminant est $\Delta = 1$, et cette équation admet les
2~racines réelles $r_1 = 1$ et $r_2 = 2$. On en conclut que la
solution générale de l'équation sans second membre $(E')$ est 
\dresultat {y (x) = Ae^{2x} + Be^x} où $A$ et $B$ sont des
constantes réelles arbitraires.
 
\itemalph La solution générale de $(E)$ est alors \dresultat {y (x) =
-x^2 -2x+3 + Ae^{2x} + Be^x} où $A$ et $B$ sont des constantes
 réelles arbitraires. 
 
\itemnum Sur le graphique, on voit que la courbe $\Gamma $ par passe
 $D (1\, ; 0,5)$. On en déduit que \dresultat {f (1) = 0, 5}. De plus,
 on lit que le coefficient directeur de la tangente en $D$ à la courbe
 est $-3$ (lorsque l'on avance de $x=1$, on avance de $y=-3$). On
 en déduit que \dresultat {f' (1) = -3}.
 
\item {} On a $f (1) = Ae^2 + Be$. Et $f' (x) = -2x-2 + 2Ae^{2x} +
 Be^x$, d'où $f' (1) = -4 + 2Ae^2 + Be$. Ce qui donne 
$$
   \matrix {\scriptstyle (1)\cr \scriptstyle (2)}
   \cases {
      Ae^2 + Be = 1/2
   \cr
      2Ae^2 + Be = -3 + 4 = 1
   \cr }
      \quad \Longrightarrow \quad   
   \matrix {\scriptstyle (2) - (1)\cr \scriptstyle (2)}
   \cases {
      Ae^2 = 1/2 \quad \Rightarrow \quad \mresultat {A = {1\over 2e^2} =
   {1\over 2} e^{-2}}
   \cr
      2Ae^2 + Be = 1 \quad \Rightarrow \quad \mresultat {B = 0}
   \cr }
$$
Donc la fonction $f$ cherchée est
$$
   f (x) = -x^2 -2x+3 + {1\over 2} e^{-2}e^{2x} 
      \qquad {\rm soit} \qquad
   \dresultat {f (x) = -x^2 -2x+3 +{1\over 2} e^{2x-2}}
$$
 
\itemnum Reste à calculer 
$$
   I = \int _{-2}^{-1} -x^2 -2x+3 - {1\over 2} e^{2x-2} \, dx 
$$
Posons $u = 2x-2$. Alors $e^{2x-2}$ est de la forme ${1\over 2}u'
e^u$, dont une primitive est ${1\over 2}e^u$. On en déduit le calcul
de $I$~:
$$
   I = \left[ - {x^3\over 3} + x^2 + 3x - {1\over 2} \times {1\over 2}
   e^{2x-2}\right] _{-2}^{-1}
      = {11\over 3} + {1\over 4} \big( e^{-6} - e^{-4}\big) \approx 3,662
$$
Restera à multiplier le résultat par 2 puisque 1~unité d'aire vaut
$2\times 1 \mm ^2$.
 
\fincorrige