diff --git a/cours.tex b/cours.tex index f3f46822d98ab1c8e1defaaabb1577eb49db9c40..24b620d02c4716f08ac5733fb6b8096d56f8e2db 100644 --- a/cours.tex +++ b/cours.tex @@ -776,7 +776,7 @@ Calculer les primitives suivantes par changement de variable Dans certains cas, il est impossible d'évaluer analytiquement une intégrale ou alors elle est très compliquée à calculer. Dans ce cas, on va approximer l'intégrale et donc commettre une erreur. -Pour ce faire on va subdiviser l'espace d'intégration $[a,b]$ en $N$ pas équidistants (pour simplifier) $\delta x=(a-b)/N$, +Pour ce faire on va subdiviser l'espace d'intégration $[a,b]$ en $N$ pas équidistants (pour simplifier) $\delta x=(b-a)/N$, et approximer l'intégrale par une somme finie \begin{equation} \int_a^bf(x)\dd x=\sum_{i=0}^{N} \delta x f(a+i\delta x) g_i+E(a,b,\delta x)\cong\sum_{i=0}^{N} \delta x f(a+i\delta x) g_i, @@ -876,8 +876,8 @@ $(f(a+b)/2)$. On se retrouve donc avec trois équations à trois inconnues En résolvant ce système (nous n'écrivons pas la solution ici) nous pouvons à présent évaluer l'intégrale \begin{align} - I&\cong\int_a^b f(x)\dd x\cong\int_a^b (cx^2+dx+e)\dd x,\nonumber\\ - &=\frac{a-b}{6}(f(a)+f(b)+4f((a+b)/2)). + I&=\int_a^b f(x)\dd x\cong\int_a^b (cx^2+dx+e)\dd x,\nonumber\\ + &=\frac{b-a}{6}(f(a)+f(b)+4f((a+b)/2))+\mathcal{O}(\delta x^4). \end{align} On peut donc généraliser affiner cette formule en rajoutant des intervalles comme précédemment @@ -899,6 +899,127 @@ Cette méthode permet d'évaluer exactement des polynômes d'ordre 4, $f(x)=ax^3 Pour illustrer le concept d'équations différentielles, nous allons considérer pour commencer des systèmes qui évoluent dans le temps (évolution d'une population, taux d'intérêts, circuits électriques, ...). +\subsection{Mouvement rectiligne uniforme} + +Imaginons que nous connaissons la fonction décrivant le vitesse d'une particle au cours du temps et +notons la $v(t)$. Nous savons également que la vitesse d'une particule est relié à l'évolution au cours du temps +de sa position. Cette dernière peut être notée, $x(t)$. +En particulier, nous avons que la vitesse n'est rien d'autre que la dérivée de la position. On peut onc écrire +une équation reliant la vitesse à la position +\begin{equation} + x'(t)=v(t). +\end{equation} +Cette équation est appelée \textit{équation différentielle}, car elle fait intervernir non seulement les fonctions $x(t)$ et $v(t)$, mais également +la dérivée de la fonction $x(t)$. Si maintenant nous précisons ce que vaut la fonction $v(t)$ nous pourrons résoudre cette équation. +Comme le nom de la sous-section le laisse entendre, nous nous intéressons à un mouvement rectiligne uniforme, qui a la particularité +de décrire le mouvement d'un objet qui se déplace à vitesse constante. On a donc +\begin{equation} + v(t)=v. +\end{equation} +Nous cherchons donc à résoudre l'équation différentielle +\begin{equation} + x'(t)=v. +\end{equation} +Ou en d'autres termes, nous cherchons la fonction dont la dérivée donne $C$\footnote{Cette formulation devrait vous rappeler ce que nous avons vu au chapitre précédent}. +Vous savez sans doute que l'ensemble de fonctions satisfaisant la contrainte précédente est +\begin{equation} + x(t)=v\cdot t+B, +\end{equation} +où $B$ est une constante arbitraire. On a donc la solution générale de cette équation différentielle qui n'est pas unique, mais qui donne une infinité +de solution (comme quand nous avons calculé la primitive d'une fonction au chapitre précédent). Afin de trouver une solution unique, +nous devons imposer une ``condition intiale'' à notre équation différentielle. En effet, si nous imposons la condition intiale +\begin{equation} + x(t_0)=x_0, +\end{equation} +il vient +\begin{equation} + x(t_0)=x_0=v\cdot t_0+B \Leftrightarrow B=x_0-v\cdot t_0. +\end{equation} +Finalement, la solution de l'équation différentielle est donnée par +\begin{equation} + x(t)=v\cdot (t-t_0)+x_0. +\end{equation} + +\begin{remarque} +La solution de l'équation différentielle +\begin{equation} + x'(t)=v,\ x(t_0)=x_0, +\end{equation} +revient à calculer +\begin{align*} + \int x'(t)\dd t=\int v \dd t,\\ + x(t)=v\cdot t + B. +\end{align*} +\end{remarque} + +\subsection{Mouvement rectiligne uniformément accéléré} + +Dans le cas du mouvement rectiligne d'un objet dont on le connaît que l'accélération, $a(t)$, on peut également écrire une équation différentielle +qui décrirait l'évolution de la position de l'objet en fonction du temps. En effet, l'accélération d'un objet est la deuxième dérivée +de la position, soit +\begin{equation} +x''(t)=a(t), +\end{equation} +ou encore la première dérivée de la vitesse. +\begin{align} +v'(t)&=a(t),\\ +x'(t)&=v(t). +\end{align} + +Par simplicité supposons que l'accélération est constante, $a(t)=a$. On doit donc résoudre\footnote{On cherche la fonction dont la deuxième dérivée est une constante, $a$.} +\begin{equation} +x''(t)=a, +\end{equation} +ou +\begin{align} +v'(t)&=a,\\ +x'(t)&=v(t).\label{eq_xpv} +\end{align} +Commen\c cons pas le système d'équations ci-dessus. On commence par résoudre +la première équation pour $v(t)$ et on a +\begin{equation} + v(t)=a\cdot t+C. +\end{equation} +En substituant ce résultat dans l'équation \eqref{eq_xpv}, on a +\begin{equation} + x'(t)=a\cdot t+C. +\end{equation} +On peut donc directement intégrer des deux côtés comme vu dans la sous-section précédente +\begin{align} + \int x'(t)\dd t&=\int a\cdot t+C\dd t,\nonumber\\ + x(t)&=\frac{a}{2}\cdot t^2+C\cdot t + D. +\end{align} +On a donc que la position d'un objet en mouvement rectiligne uniformément accéléré est donné par une +parabole. Cette équation ci-dessus néanmoins a encore deux constante indéterminées. Pour les déterminer, on doit donc imposer +deux conditions intiales. Une possibilité est d'imposer une condition initiale par équation +\begin{equation} + v(t_0)=v_0,\mbox{ et } x(t_0)=x_0. +\end{equation} +On obtient donc +\begin{equation} + v(t_0)=v_0=a\cdot t_0+C \Leftrightarrow C=v_0-a\cdot t_0, +\end{equation} +et +\begin{equation} + x(t_0)=x_0=\frac{a}{2}\cdot t_0^2+D \Leftrightarrow D=x_0-\frac{a}{2}\cdot t_0^2. +\end{equation} +Finalement la solution est donc +\begin{equation} + x(t)=\frac{a}{2}\cdot (t^2-t_0^2)+v_0\cdot (t-t_0)+x_0. +\end{equation} + +\begin{remarque} +La solution de l'équation différentielle peut également se calculer de la façon suivante +\begin{equation} + x''(t)=av,\ x(t_0)=x_0,\ v(t_0)=v_0. +\end{equation} +revient à calculer +\begin{align*} + \int \int x''(t)\dd t\dd t=\int \int a \dd t\dd t,\\ + x(t)=\frac{a}{2}t^2+C\cdot t + D. +\end{align*} +\end{remarque} + \subsection{Évolution d'une population} Imaginons une colonie de bactéries dont nous connaissons le taux de reproduction $r$. Nous connaissons le nombre de