Aller au contenu
MPSI · Mathématiques · Analyse : calcul intégral · Chapitre 7

Primitives et équations différentielles

Fiche de cours9 min de lecturePar Robin RinguetMise à jour : octobre 2026

1Primitives : définition et description

Notation. Dans toute la fiche, II désigne un intervalle de R\R non réduit à un point, et K\mathbb{K} désigne R\R ou C\C. Les fonctions considérées sont définies sur II et à valeurs dans K\mathbb{K}.

Définition. Soit f:I→Kf:I\to\mathbb{K}. Une primitive de ff sur II est une fonction F:I→KF:I\to\mathbb{K} dérivable sur II telle que F′=fF'=f sur II.

Théorème — description de l’ensemble des primitives. Soit f:I→Kf:I\to\mathbb{K} admettant une primitive F0F_{0} sur II. Alors les primitives de ff sur II sont exactement les fonctions F0+CF_{0}+C, C∈KC\in\mathbb{K} constante. En particulier, deux primitives de ff sur II diffèrent d’une constante, et pour tout (x0,y0)∈I×K(x_{0},y_{0})\in I\times\mathbb{K} il existe une unique primitive FF de ff sur II telle que F(x0)=y0F(x_{0})=y_{0}.

Idée de preuve (exigible). Si F′=F0′=fF'=F_{0}'=f, alors (F−F0)′=0(F-F_{0})'=0 sur II ; or une fonction dérivable de dérivée nulle sur un intervalle est constante. Réciproquement (F0+C)′=f(F_{0}+C)'=f. Pour l’unicité : F=F0+(y0−F0(x0))F=F_{0}+\bigl(y_{0}-F_{0}(x_{0})\bigr) est la seule possible.

Attentionle mot « intervalle » est une hypothèse, pas un décor

Sur R∗\R^{*}, qui n’est pas un intervalle, F1:x↦ln⁡∣x∣F_{1}:x\mapsto\ln\abs{x} et F2:x↦ln⁡∣x∣+1F_{2}:x\mapsto\ln\abs{x}+\mathbf{1} (où 1\mathbf{1} vaut 11 sur R+∗\R_{+}^{*} et 00 sur R−∗\R_{-}^{*}) vérifient toutes deux F′=1xF'=\frac1x, mais F2−F1F_{2}-F_{1} n’est pas constante. On primitive sur un intervalle, avec une constante par intervalle.

Propriété — lien avec l’intégrale, admis à ce stade. Si ff est continue sur II et x0∈Ix_{0}\in I, alors x↦∫x0xf(t) ⁣dtx\mapsto\int_{x_{0}}^{x}f(t)\dd t est une primitive de ff sur II : toute fonction continue sur un intervalle admet des primitives. Rappelé sans démonstration ; la théorie de l’intégration viendra plus tard dans l’année.

Notation. On note ∫f(t) ⁣dt\displaystyle\int f(t)\dd t une primitive générique de ff : une égalité entre telles écritures s’entend à une constante près, sur un intervalle qu’il faut préciser. Enfin FF primitive f:I→Cf:I\to\C si et seulement si Re⁡(F)\Ree(F) primitive Re⁡(f)\Ree(f) et Im⁡(F)\Imm(F) primitive Im⁡(f)\Imm(f) ; et si FF primitive ff, GG primitive gg, alors λF+μG\lambda F+\mu G primitive λf+μg\lambda f+\mu g.

2Primitives usuelles

Formulaireà connaître dans les deux sens
f(x)f(x)primitivesur
xnx^{n}, n∈Nn\in\Nxn+1n+1\dfrac{x^{n+1}}{n+1}R\R
xαx^{\alpha}, α≠−1\alpha\neq-1xα+1α+1\dfrac{x^{\alpha+1}}{\alpha+1}R+∗\R_{+}^{*}
1x\dfrac1xln⁡∣x∣\ln\abs{x}R+∗\R_{+}^{*} ou R−∗\R_{-}^{*}
1x\dfrac{1}{\sqrt{x}}2x2\sqrt{x}R+∗\R_{+}^{*}
ln⁡x\ln xxln⁡x−xx\ln x-xR+∗\R_{+}^{*}
eλx\e^{\lambda x}, λ∈C∗\lambda\in\C^{*}eλxλ\dfrac{\e^{\lambda x}}{\lambda}R\R
f(x)f(x)primitivesur
cos⁡x\cos x ; sin⁡x\sin xsin⁡x\sin x ; −cos⁡x-\cos xR\R
ch⁡x\operatorname{ch}x ; sh⁡x\operatorname{sh}xsh⁡x\operatorname{sh}x ; ch⁡x\operatorname{ch}xR\R
1cos⁡2x=1+tan⁡2x\dfrac{1}{\cos^{2}x}=1+\tan^{2}xtan⁡x\tan xIkI_{k}
tan⁡x\tan x−ln⁡∣cos⁡x∣-\ln\abs{\cos x}IkI_{k}
11+x2\dfrac{1}{1+x^{2}}Arctan⁡x\operatorname{Arctan}xR\R
11−x2\dfrac{1}{\sqrt{1-x^{2}}}Arcsin⁡x\operatorname{Arcsin}x]−1 ;1[\intoo{-1}{1}

où Ik=]−π2+kπ ;π2+kπ[I_{k}=\intoo{-\frac{\pi}{2}+k\pi}{\frac{\pi}{2}+k\pi}, k∈Zk\in\Z.

3Reconnaître une dérivée de composée

Méthode — la forme u′×(g∘u)u'\times(g\circ u). si GG primitive gg et si uu est dérivable à valeurs dans le domaine de GG, alors (G∘u)′=u′×(g∘u)(G\circ u)'=u'\times(g\circ u) : G∘uG\circ u est une primitive de u′ (g∘u)u'\,(g\circ u). Tout consiste à repérer le facteur u′u'.

Formulaireles six formes à reconnaître au premier coup d’œil
  • u′uα ⟶ uα+1α+1u'u^{\alpha}\ \longrightarrow\ \dfrac{u^{\alpha+1}}{\alpha+1} pour α≠−1\alpha\neq-1 (si α∉N\alpha\notin\N, il faut u>0u>0 sur l’intervalle) ;
  • u′u ⟶ ln⁡∣u∣\dfrac{u'}{u}\ \longrightarrow\ \ln\abs{u} (sur un intervalle où uu ne s’annule pas) ; u′eu ⟶ euu'\e^{u}\ \longrightarrow\ \e^{u} ;
  • u′u ⟶ 2u\dfrac{u'}{\sqrt{u}}\ \longrightarrow\ 2\sqrt{u} (u>0u>0) ; u′1+u2 ⟶ Arctan⁡u\dfrac{u'}{1+u^{2}}\ \longrightarrow\ \operatorname{Arctan}u ; u′cos⁡u ⟶ sin⁡uu'\cos u\ \longrightarrow\ \sin u ;
  • cas particulier constamment utilisé : une primitive de x↦f(ax+b)x\mapsto f(ax+b) (a≠0a\neq0) est x↦1aF(ax+b)x\mapsto\frac{1}{a}F(ax+b), où FF primitive ff.

4Primitives de eλx\e^{\lambda x} avec λ∈C\lambda\in\C, et de eaxcos⁡(bx)\e^{ax}\cos(bx)

Théorème. Pour λ∈C∗\lambda\in\C^{*}, la fonction x↦eλxλx\mapsto\dfrac{\e^{\lambda x}}{\lambda} est une primitive sur R\R de x↦eλxx\mapsto\e^{\lambda x}.

Idée de preuve. La dérivée de x↦eφ(x)x\mapsto\e^{\varphi(x)} est φ′eφ\varphi'\e^{\varphi} pour φ\varphi dérivable à valeurs complexes (chapitre 6) ; avec φ(x)=λx\varphi(x)=\lambda x on obtient (eλxλ)′=eλx\left(\frac{\e^{\lambda x}}{\lambda}\right)'=\e^{\lambda x}.

Méthode — primitives de eaxcos⁡(bx)\e^{ax}\cos(bx) et eaxsin⁡(bx)\e^{ax}\sin(bx). soient (a,b)∈R2(a,b)\in\R^{2} avec (a,b)≠(0,0)(a,b)\neq(0,0), et λ=a+ib≠0\lambda=a+ib\neq0. Comme eaxcos⁡(bx)=Re⁡(eλx)\e^{ax}\cos(bx)=\Ree\left(\e^{\lambda x}\right) et eaxsin⁡(bx)=Im⁡(eλx)\e^{ax}\sin(bx)=\Imm\left(\e^{\lambda x}\right), on primitive eλx\e^{\lambda x} puis on prend la partie réelle ou imaginaire :

∫eaxcos⁡(bx) ⁣dx=Re⁡ ⁣(e(a+ib)xa+ib)=eax acos⁡(bx)+bsin⁡(bx)a2+b2,\int\e^{ax}\cos(bx)\dd x=\Ree\!\left(\frac{\e^{(a+ib)x}}{a+ib}\right)=\e^{ax}\,\frac{a\cos(bx)+b\sin(bx)}{a^{2}+b^{2}},
∫eaxsin⁡(bx) ⁣dx=Im⁡ ⁣(e(a+ib)xa+ib)=eax asin⁡(bx)−bcos⁡(bx)a2+b2.\int\e^{ax}\sin(bx)\dd x=\Imm\!\left(\frac{\e^{(a+ib)x}}{a+ib}\right)=\e^{ax}\,\frac{a\sin(bx)-b\cos(bx)}{a^{2}+b^{2}}.

On n’apprend pas ces deux formules : on refait le calcul, en multipliant 1a+ib\frac{1}{a+ib} par a−iba2+b2\frac{a-ib}{a^{2}+b^{2}}. Deux intégrations par parties successives donnent le même résultat, plus lentement.

5Primitives de 1ax2+bx+c\dfrac{1}{ax^{2}+bx+c}

Méthode. Soient a≠0a\neq0 et Δ=b2−4ac\Delta=b^{2}-4ac. On travaille sur un intervalle où le dénominateur ne s’annule pas.

  • Si Δ>0\Delta>0, le trinôme a deux racines réelles r1≠r2r_{1}\neq r_{2} et 1a(x−r1)(x−r2)=1a(r1−r2)(1x−r1−1x−r2)\dfrac{1}{a(x-r_{1})(x-r_{2})}=\dfrac{1}{a(r_{1}-r_{2})}\left(\dfrac{1}{x-r_{1}}-\dfrac{1}{x-r_{2}}\right) : on obtient des logarithmes.
  • Si Δ=0\Delta=0, avec r=−b2ar=-\frac{b}{2a} : 1a(x−r)2\dfrac{1}{a(x-r)^{2}}, de primitive −1a(x−r)-\dfrac{1}{a(x-r)}.
  • Si Δ<0\Delta<0, on écrit la forme canonique ax2+bx+c=a[(x+b2a)2+ω2]ax^{2}+bx+c=a\left[\left(x+\frac{b}{2a}\right)^{2}+\omega^{2}\right] avec ω=−Δ2∣a∣>0\omega=\frac{\sqrt{-\Delta}}{2\abs{a}}>0, puis on reconnaît u′1+u2\frac{u'}{1+u^{2}} avec u(x)=1ω(x+b2a)u(x)=\frac{1}{\omega}\left(x+\frac{b}{2a}\right) : une primitive est 1aωArctan⁡(u(x))\frac{1}{a\omega}\operatorname{Arctan}\bigl(u(x)\bigr).

Pour αx+βax2+bx+c\dfrac{\alpha x+\beta}{ax^{2}+bx+c}, on fait apparaître au numérateur la dérivée 2ax+b2ax+b du dénominateur (ce qui donne un ln⁡∣⋅∣\ln\abs{\cdot}) ; il reste un terme en 1ax2+bx+c\dfrac{1}{ax^{2}+bx+c}.

6Intégration par parties

Théorème — IPP pour les primitives. Soient u,v:I→Ku,v:I\to\mathbb{K} de classe C1\mathcal{C}^{1} sur II. Si HH est une primitive de uv′uv' sur II, alors uv−Huv-H est une primitive de u′vu'v sur II ; on écrit ∫u′(x)v(x) ⁣dx=u(x)v(x)−∫u(x)v′(x) ⁣dx\int u'(x)v(x)\dd x=u(x)v(x)-\int u(x)v'(x)\dd x. Preuve : (uv)′=u′v+uv′(uv)'=u'v+uv', donc u′v=(uv)′−uv′u'v=(uv)'-uv' ; on primitive cette égalité.

Méthode — choix de u′u' et de vv. on prend pour vv le facteur que la dérivation simplifie (xnx^{n}, ln⁡\ln, Arctan⁡\operatorname{Arctan}, Arcsin⁡\operatorname{Arcsin}) et pour u′u' celui que l’on sait primitiver sans peine (eλx\e^{\lambda x}, cos⁡\cos, sin⁡\sin, xnx^{n}) : ∫xnex ⁣dx\int x^{n}\e^{x}\dd x demande nn IPP avec v=xnv=x^{n} ; ∫ln⁡x ⁣dx\int\ln x\dd x et ∫Arctan⁡x ⁣dx\int\operatorname{Arctan}x\dd x se traitent avec u′=1u'=1 ; ∫excos⁡x ⁣dx\int\e^{x}\cos x\dd x revient sur lui-même après deux IPP (on résout alors une équation d’inconnue « la primitive »).

7Changement de variable

Théorème. Soient ff continue sur II, FF une primitive de ff sur II, et φ:J→I\varphi:J\to I de classe C1\mathcal{C}^{1} sur un intervalle JJ. Alors F∘φF\circ\varphi est une primitive sur JJ de t↦f(φ(t))φ′(t)t\mapsto f\bigl(\varphi(t)\bigr)\varphi'(t) : ∫f(φ(t))φ′(t) ⁣dt=F(φ(t))\int f\bigl(\varphi(t)\bigr)\varphi'(t)\dd t=F\bigl(\varphi(t)\bigr). Preuve : c’est la dérivation d’une composée, (F∘φ)′=φ′×(f∘φ)(F\circ\varphi)'=\varphi'\times(f\circ\varphi).

Méthode — les deux sens d’usage. Sens direct (« je reconnais φ′×(f∘φ)\varphi'\times(f\circ\varphi) ») : on pose u=φ(t)u=\varphi(t) et on primitive ff. Sens inverse (« je pose x=φ(t)x=\varphi(t) pour simplifier ») : on choisit φ:J→I\varphi:J\to I de classe C1\mathcal{C}^{1} et bijective, on calcule une primitive GG de (f∘φ)φ′(f\circ\varphi)\varphi' sur JJ, et G∘φ−1G\circ\varphi^{-1} est une primitive de ff sur II. Formellement : x=φ(t)x=\varphi(t),  ⁣dx=φ′(t) ⁣dt\dd x=\varphi'(t)\dd t, puis retour à xx.

Attention

Dans le sens inverse, la bijectivité de φ\varphi est indispensable : c’est elle qui permet de revenir à xx. Ainsi x=sin⁡tx=\sin t n’est licite qu’après restriction de tt à un intervalle où sin⁡\sin est bijective, par exemple [−π2 ;π2]\intff{-\frac{\pi}{2}}{\frac{\pi}{2}}.

8Équations différentielles linéaires du premier ordre

Notation. Soient a,b:I→Ka,b:I\to\mathbb{K} continues. On étudie

(E) : y′+a(x) y=b(x),et l’eˊquation homogeˋne associeˊe(H) : y′+a(x) y=0.(E)\ :\ y'+a(x)\,y=b(x),\qquad\text{et l'équation homogène associée}\quad (H)\ :\ y'+a(x)\,y=0.

Une solution de (E)(E) sur II est une fonction y:I→Ky:I\to\mathbb{K} dérivable sur II vérifiant l’égalité en tout point de II. On note SE\mathcal{S}_{E} et SH\mathcal{S}_{H} les ensembles de solutions sur II.

Théorème — solutions de l’équation homogène. Soit AA une primitive de aa sur II. Alors

SH={x↦C e−A(x), C∈K}.\mathcal{S}_{H}=\ens{x\mapsto C\,\e^{-A(x)},\ C\in\mathbb{K}}.

En particulier, si aa est constante, SH={x↦Ce−ax, C∈K}\mathcal{S}_{H}=\ens{x\mapsto C\e^{-ax},\ C\in\mathbb{K}}. Une solution de (H)(H) qui s’annule en un point de II est identiquement nulle.

Démonstration (exigible). Pour yy dérivable sur II, posons z=yeAz=y\e^{A} : alors z′=eA(y′+ay)z'=\e^{A}\left(y'+ay\right), et eA\e^{A} ne s’annule pas. Donc yy est solution de (H)(H) si et seulement si z′=0z'=0 sur l’intervalle II, c’est-à-dire si et seulement si zz est constante, soit y=Ce−Ay=C\e^{-A}.

Théorème — structure et superposition. Si ypy_{p} est une solution de (E)(E) sur II, alors

SE={yp+yh, yh∈SH}={x↦yp(x)+Ce−A(x), C∈K}.\mathcal{S}_{E}=\ens{y_{p}+y_{h},\ y_{h}\in\mathcal{S}_{H}}=\ens{x\mapsto y_{p}(x)+C\e^{-A(x)},\ C\in\mathbb{K}}.

De plus (principe de superposition) si b=λ1b1+λ2b2b=\lambda_{1}b_{1}+\lambda_{2}b_{2} et si y1,y2y_{1},y_{2} sont solutions de y′+ay=b1y'+ay=b_{1} et y′+ay=b2y'+ay=b_{2}, alors λ1y1+λ2y2\lambda_{1}y_{1}+\lambda_{2}y_{2} est solution de (E)(E). Les deux points résultent de la linéarité de y↦y′+ayy\mapsto y'+ay : yy est solution de (E)(E) si et seulement si y−ypy-y_{p} est solution de (H)(H).

Méthode — variation de la constante. on cherche yy sous la forme y(x)=C(x)e−A(x)y(x)=C(x)\e^{-A(x)} avec CC dérivable. Le calcul donne y′+ay=C′(x)e−A(x)y'+ay=C'(x)\e^{-A(x)}, donc yy est solution de (E)(E) si et seulement si C′(x)=b(x)eA(x)C'(x)=b(x)\e^{A(x)} : il suffit de prendre pour CC une primitive de beAb\e^{A} sur II. On obtient ainsi toutes les solutions d’un coup.

Théorème — problème de Cauchy. Soient x0∈Ix_{0}\in I et y0∈Ky_{0}\in\mathbb{K}. Le problème (y′+a(x)y=b(x)\bigl(y'+a(x)y=b(x) et y(x0)=y0)y(x_{0})=y_{0}\bigr) admet une unique solution sur II. Preuve (exigible) : les solutions sont les y=(C+K)e−Ay=(C+K)\e^{-A}, K∈KK\in\mathbb{K} ; la condition y(x0)=y0y(x_{0})=y_{0} s’écrit K=y0eA(x0)−C(x0)K=y_{0}\e^{A(x_{0})}-C(x_{0}), qui détermine KK de manière unique.

9Recollement : quand le coefficient de y′y' s’annule

Méthode — équation α(x)y′+β(x)y=γ(x)\alpha(x)y'+\beta(x)y=\gamma(x). si α\alpha s’annule, l’équation n’est pas sous la forme (E)(E) en ces points. On procède en trois temps : (1) résolution sur chaque intervalle où α\alpha ne s’annule pas, avec une constante par intervalle ; (2) recollement : on cherche à quelles conditions les morceaux se prolongent en une fonction dérivable sur l’intervalle entier (continuité, puis dérivabilité, puis vérification de l’équation au point de raccord) ; (3) conclusion : le nombre de constantes libres sur l’intervalle entier n’est en général plus le même.

Exemplexy′−y=0xy'-y=0 sur R\R

Sur R+∗\R_{+}^{*} et sur R−∗\R_{-}^{*}, l’équation s’écrit y′−1xy=0y'-\frac{1}{x}y=0 et donne y=C1xy=C_{1}x sur R+∗\R_{+}^{*}, y=C2xy=C_{2}x sur R−∗\R_{-}^{*}, avec deux constantes indépendantes. Une solution sur R\R vérifie 0×y′(0)−y(0)=00\times y'(0)-y(0)=0, donc y(0)=0y(0)=0 : le raccord est continu quels que soient C1C_{1} et C2C_{2} ; mais la dérivée à droite en 00 vaut C1C_{1}, celle à gauche C2C_{2}, et la dérivabilité impose C1=C2C_{1}=C_{2}. Les solutions sur R\R sont donc les x↦Cxx\mapsto Cx : le recollement a fait disparaître un paramètre.

10Équations différentielles linéaires du second ordre à coefficients constants

Notation. Soient a,b∈Ka,b\in\mathbb{K} et f:I→Kf:I\to\mathbb{K} continue. On étudie

(E2) : y′′+a y′+b y=f(x),(H2) : y′′+a y′+b y=0.(E_{2})\ :\ y''+a\,y'+b\,y=f(x),\qquad (H_{2})\ :\ y''+a\,y'+b\,y=0.

L’équation caractéristique est  r2+ar+b=0\ r^{2}+ar+b=0, de discriminant Δ=a2−4b\Delta=a^{2}-4b.

Théorème — solutions de (H2)(H_{2}) à valeurs complexes. Si r1≠r2r_{1}\neq r_{2} sont les deux racines de l’équation caractéristique dans C\C, les solutions de (H2)(H_{2}) sur II sont les x↦C1er1x+C2er2xx\mapsto C_{1}\e^{r_{1}x}+C_{2}\e^{r_{2}x} ; si rr est racine double, ce sont les x↦(C1x+C2)erxx\mapsto(C_{1}x+C_{2})\e^{rx}, avec (C1,C2)∈C2(C_{1},C_{2})\in\C^{2} dans les deux cas.

Théorème — solutions réelles quand a,b∈Ra,b\in\R. Si aa et bb sont réels, les solutions à valeurs réelles de (H2)(H_{2}) sur II sont :

  • Δ>0\Delta>0, racines réelles r1≠r2r_{1}\neq r_{2} :  y(x)=C1er1x+C2er2x\ y(x)=C_{1}\e^{r_{1}x}+C_{2}\e^{r_{2}x}, (C1,C2)∈R2(C_{1},C_{2})\in\R^{2} ;
  • Δ=0\Delta=0, racine double r=−a2r=-\frac{a}{2} :  y(x)=(C1x+C2)erx\ y(x)=(C_{1}x+C_{2})\e^{rx}, (C1,C2)∈R2(C_{1},C_{2})\in\R^{2} ;
  • Δ<0\Delta<0, racines r=p±iqr=p\pm iq avec p=−a2p=-\frac{a}{2} et q=−Δ2>0q=\frac{\sqrt{-\Delta}}{2}>0 :

    y(x)=epx(C1cos⁡(qx)+C2sin⁡(qx)),(C1,C2)∈R2,\boxed{y(x)=\e^{px}\bigl(C_{1}\cos(qx)+C_{2}\sin(qx)\bigr)},\quad (C_{1},C_{2})\in\R^{2},

    que l’on peut aussi écrire y(x)=A epxcos⁡(qx−φ)y(x)=A\,\e^{px}\cos(qx-\varphi) avec A⩾0A\geq0 et φ∈R\varphi\in\R.

Idée de preuve (exigible). On pose y=er1xzy=\e^{r_{1}x}z : comme r12+ar1+b=0r_{1}^{2}+ar_{1}+b=0, on obtient y′′+ay′+by=er1x(z′′+(2r1+a)z′)y''+ay'+by=\e^{r_{1}x}\bigl(z''+(2r_{1}+a)z'\bigr), et 2r1+a=r1−r22r_{1}+a=r_{1}-r_{2}. L’équation devient donc z′′+(r1−r2)z′=0z''+(r_{1}-r_{2})z'=0, du premier ordre en z′z' : si r1≠r2r_{1}\neq r_{2}, z′=Ce(r2−r1)xz'=C\e^{(r_{2}-r_{1})x} puis z=C1e(r2−r1)x+C2z=C_{1}\e^{(r_{2}-r_{1})x}+C_{2} ; si r1=r2r_{1}=r_{2}, z′′=0z''=0 et z=C1x+C2z=C_{1}x+C_{2}. Dans le cas réel avec Δ<0\Delta<0, les formules d’Euler font passer de (e(p+iq)x,e(p−iq)x)\left(\e^{(p+iq)x},\e^{(p-iq)x}\right) à (epxcos⁡(qx),epxsin⁡(qx))\left(\e^{px}\cos(qx),\e^{px}\sin(qx)\right).

Théorème — structure et Cauchy. Si ypy_{p} est une solution de (E2)(E_{2}) sur II, alors SE2={yp+yh, yh∈SH2}\mathcal{S}_{E_{2}}=\ens{y_{p}+y_{h},\ y_{h}\in\mathcal{S}_{H_{2}}} : les solutions forment une famille à deux constantes. Le principe de superposition s’applique comme à l’ordre 11. Enfin, pour x0∈Ix_{0}\in I et (y0,y1)∈K2(y_{0},y_{1})\in\mathbb{K}^{2}, il existe une unique solution de (E2)(E_{2}) sur II telle que y(x0)=y0y(x_{0})=y_{0} et y′(x0)=y1y'(x_{0})=y_{1}. La démonstration de ce dernier point est hors programme.

Méthode — solution particulière selon le second membre. on note m∈{0,1,2}m\in\ens{0,1,2} la multiplicité de λ\lambda comme racine de l’équation caractéristique (m=0m=0 si λ\lambda n’en est pas racine).

  • f=Pf=P polynomiale de degré nn : ypy_{p} polynomiale de degré nn si b≠0b\neq0 ; de la forme xQ(x)xQ(x) avec deg⁡Q=n\deg Q=n si b=0b=0 et a≠0a\neq0 ; deux primitivations si a=b=0a=b=0.
  • f(x)=Aeλxf(x)=A\e^{\lambda x} : on cherche yp(x)=μ xmeλxy_{p}(x)=\mu\,x^{m}\e^{\lambda x} ; le cas m⩾1m\geq1 est le cas résonant. Plus généralement, pour f(x)=eλxP(x)f(x)=\e^{\lambda x}P(x) : yp(x)=xmQ(x)eλxy_{p}(x)=x^{m}Q(x)\e^{\lambda x} avec deg⁡Q=deg⁡P\deg Q=\deg P.
  • f(x)=Bcos⁡(ωx)f(x)=B\cos(\omega x) ou Bsin⁡(ωx)B\sin(\omega x), avec a,ba,b réels : on résout y′′+ay′+by=Beiωxy''+ay'+by=B\e^{i\omega x} puis on prend la partie réelle (ou imaginaire) d’une solution complexe.
  • Second membre somme : on traite chaque terme séparément et on additionne (superposition).
Savoir-faire
  • Primitiver par lecture de la table, puis par reconnaissance de u′uαu'u^{\alpha}, u′u\frac{u'}{u}, u′euu'\e^{u} ; primitiver eaxcos⁡(bx)\e^{ax}\cos(bx) par l’exponentielle complexe et 1ax2+bx+c\frac{1}{ax^{2}+bx+c} selon le signe de Δ\Delta.
  • Mener une IPP, éventuellement répétée pour obtenir une relation de récurrence ; conduire un changement de variable C1\mathcal{C}^{1} et bijectif.
  • Résoudre y′+a(x)y=b(x)y'+a(x)y=b(x) (homogène, variation de la constante, problème de Cauchy, recollement) et y′′+ay′+by=fy''+ay'+by=f (équation caractéristique, solutions réelles, solution particulière, cas résonant, conditions initiales).
Exemplele cas résonant, à ne pas manquer

y′′−2y′+y=exy''-2y'+y=\e^{x} : l’équation caractéristique (r−1)2=0(r-1)^{2}=0 a la racine double r=1r=1, donc λ=1\lambda=1 est racine de multiplicité m=2m=2. Avec yp=μx2exy_{p}=\mu x^{2}\e^{x}, on trouve yp′′−2yp′+yp=2μexy_{p}''-2y_{p}'+y_{p}=2\mu\e^{x}, d’où μ=12\mu=\frac12 et S={x↦(x22+C1x+C2)ex, (C1,C2)∈R2}\mathcal{S}=\ens{x\mapsto\left(\frac{x^{2}}{2}+C_{1}x+C_{2}\right)\e^{x},\ (C_{1},C_{2})\in\R^{2}}.

Pièges
  • Primitiver sur un ensemble qui n’est pas un intervalle, mettre une seule constante sur une réunion d’intervalles, oublier la constante, ou écrire ∫ ⁣dxx=ln⁡x\int\frac{\dd x}{x}=\ln x sans valeur absolue.
  • Écrire ∫u′uα=uα+1α+1\int u'u^{\alpha}=\frac{u^{\alpha+1}}{\alpha+1} sans vérifier u>0u>0 quand α∉N\alpha\notin\N ; changement de variable non C1\mathcal{C}^{1} ou non bijectif, et oubli du retour à la variable initiale.
  • Confondre solution particulière et solution générale ; oublier le terme homogène ou l’ajouter deux fois ; oublier la superposition quand le second membre est une somme.
  • Chercher μeλx\mu\e^{\lambda x} alors que λ\lambda est racine de l’équation caractéristique (cas résonant : il faut xmx^{m}) ; laisser une réponse complexe quand les solutions réelles sont demandées (Δ<0\Delta<0) ; croire que α(x)y′+β(x)y=γ(x)\alpha(x)y'+\beta(x)y=\gamma(x) avec α(x0)=0\alpha(x_{0})=0 se résout « comme d’habitude » au voisinage de x0x_{0}.

Exercices, contrôles et sujets

Les énoncés sont en accès libre, à télécharger en PDF.

1

Exercices de base

PDF

Les bases : primitives usuelles, IPP, changement de variable, équations d’ordre 11 et 22

12 exercicesniveau Difficulté 1 sur 3 à Difficulté 2 sur 3durée conseillée : 2 h 30sans calculatrice

  1. Primitives immédiatesDifficulté 1 sur 3
  2. Reconnaître une dérivée de composéeDifficulté 1 sur 3
  3. Primitives de 1ax2+bx+c\frac{1}{ax^{2}+bx+c}Difficulté 2 sur 3
  4. Intégrations par partiesDifficulté 2 sur 3
  5. Changements de variableDifficulté 2 sur 3
  6. Exponentielle complexeDifficulté 2 sur 3
  7. Premier ordre à coefficient constantDifficulté 1 sur 3
  8. Variation de la constanteDifficulté 2 sur 3
  9. Second ordre homogène : les trois casDifficulté 1 sur 3
  10. Second ordre avec second membreDifficulté 2 sur 3
  11. Superposition et conditions initialesDifficulté 2 sur 3
  12. Un recollementDifficulté 2 sur 3
2

Exercices d'application

PDF

Application : linéarisation, récurrences par IPP, résonance, régime permanent

9 exercicesniveau Difficulté 2 sur 3durée conseillée : 3 hsans calculatrice

  1. Primitives trigonométriquesDifficulté 2 sur 3
  2. Un changement de variable trigonométriqueDifficulté 2 sur 3
  3. Une relation de récurrence par intégration par partiesDifficulté 2 sur 3
  4. Fractions rationnelles : les trois casDifficulté 2 sur 3
  5. Un second membre non élémentaireDifficulté 2 sur 3
  6. D’une équation fonctionnelle à une équation différentielleDifficulté 2 sur 3
  7. RésonanceDifficulté 2 sur 3
  8. Régime transitoire et régime permanentDifficulté 2 sur 3
  9. Second membre eλxP(x)\e^{\lambda x}P(x)Difficulté 2 sur 3
3

Interrogation A

PDF

Durée : 1 h — sans document ni calculatrice

3 exercicesnoté sur 20niveau Difficulté 1 sur 3 à Difficulté 2 sur 3la rédaction est évaluée

  1. Questions de cours5 ptsDifficulté 1 sur 3
  2. Calculs de primitives7 ptsDifficulté 2 sur 3
  3. Deux équations différentielles8 ptsDifficulté 2 sur 3
4

Interrogation B

PDF

Durée : 1 h — sans document ni calculatrice

3 exercicesnoté sur 20niveau Difficulté 2 sur 3la rédaction est évaluée

  1. Questions de cours5 ptsDifficulté 2 sur 3
  2. Trois primitives7 ptsDifficulté 2 sur 3
  3. Une équation du premier ordre et ses solutions8 ptsDifficulté 2 sur 3
5

Approfondissement

PDF

Factorisation de l’opérateur, familles de primitives, Bernoulli, Euler, recollements

7 exercicesniveau Difficulté 3 sur 3durée conseillée : 4 hsans calculatrice

  1. Factoriser l’opérateur du second ordreDifficulté 3 sur 3
  2. Une famille de primitivesDifficulté 3 sur 3
  3. L’équation fonctionnelle de l’exponentielleDifficulté 3 sur 3
  4. Une équation de Bernoulli (hors programme — pour aller plus loin)Difficulté 3 sur 3
  5. Une équation d’Euler (hors programme — pour aller plus loin)Difficulté 3 sur 3
  6. Recollements : quatre comportementsDifficulté 3 sur 3
  7. Une inégalité différentielleDifficulté 3 sur 3
6

DS type concours

PDF

Autour de l’équation y′′+2y′+2y=fy''+2y'+2y=f

durée : 4 hnoté sur 20quatre parties enchaînéescalculatrice interdite

7

Planche de colle

PDF

Une question de cours et quatre exercices d’oral indépendants

4 exercicesniveaux Difficulté 1 sur 3, Difficulté 2 sur 3, Difficulté 2 sur 3, Difficulté 3 sur 3environ 20 min chacunsans calculatrice

  1. Trois primitivesDifficulté 1 sur 3
  2. Une équation du premier ordreDifficulté 2 sur 3
  3. Une équation fonctionnelleDifficulté 2 sur 3
  4. Une famille d’équations du second ordreDifficulté 3 sur 3

Prépa · Mathématiques : les 26 chapitres

  1. Logique et raisonnement
  2. Ensembles et applications
  3. Sommes et produits
  4. Inégalités et trigonométrie
  5. Nombres complexes
  6. Fonctions usuelles
  7. Primitives et équations différentielles
  8. Nombres réels et suites numériques
  9. Limites et continuité
  10. Dérivabilité et convexité
  11. Arithmétique des entiers relatifs
  12. Structures algébriques usuelles
  13. Calcul matriciel
  14. Polynômes et fractions rationnelles
  15. Analyse asymptotique
  16. Espaces vectoriels
  17. Dimension et applications linéaires
  18. Matrices et applications linéaires
  19. Groupe symétrique
  20. Déterminants
  21. Intégration
  22. Dénombrement
  23. Probabilités
  24. Espaces préhilbertiens
  25. Séries et familles sommables
  26. Fonctions de deux variables