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Séquence 6 · Primitives et équations différentielles y' = ay + b

Connaissant la vitesse à laquelle une grandeur varie, peut‑on retrouver la grandeur elle‑même ?

Repères pour le professeur

Voie · niveauLycée général · Terminale
DisciplineMathématiques
Programme officielProgramme de spécialité de mathématiques de Terminale générale, BO spécial n°8 du 25 juillet 2019, applicable en 2026-2027 ; le nouveau programme entre en Terminale à la rentrée 2027.
Place dans le programmeProgramme de spécialité de mathématiques de terminale générale (BO spécial n°8 du 25 juillet 2019, applicable en terminale en 2026-2027 ; le nouveau programme du BO du 2 avril 2026 entre en terminale à la rentrée 2027), partie « Analyse », section « Primitives, équations différentielles »
Durée totale2 séances + 1 évaluation ≈ 3 h 05
ModalitéEnseignement à distance : classe virtuelle + travail autonome + rendu sur l'ENT

Objectifs et capacités

Objectifs

Capacités travaillées (BO)

Notions et définitions

primitive d'une fonction continueprimitives de référenceéquation différentielley' = ay : solutions C e^(ax)y' = ay + b : solution constante −b/a

Repères historiques

Ressources de la séquence

Ancrage dans le programme, notions, repères, débats, bibliographie et différenciation, communs à toutes les séances.

Ancrage dans le programme officiel

Définition : « Par définition, la recherche d'une primitive est l'opération inverse de la dérivation »

Démonstration au programme : « Résolution de l'équation différentielle y' = ay où a est un nombre réel. »

Compétences : « L'évaluation doit permettre de repérer les acquis des élèves en lien avec les six compétences mathématiques : chercher, modéliser, représenter, raisonner, calculer, communiquer. »

Épreuve de spécialité (terminale, version consolidée 2024) : écrite, 4 heures, coefficient 16. « Le sujet comporte quatre exercices indépendants les uns des autres, qui permettent d'évaluer les connaissances et compétences des candidats. » « Chaque exercice est noté sur 4 à 8 points. » (définition consolidée de l'épreuve de spécialité (éduscol)).

Notions : définitions rigoureuses

Primitive
F est une primitive de f sur I si F est dérivable et F' = f.
Ensemble des primitives
Si F est une primitive, les autres sont F + C, C constante.
Primitives de référence
xⁿ ↦ xⁿ⁺¹/(n + 1) (n ≠ −1) ; 1/x ↦ ln x ; eˣ ↦ eˣ ; u'eᵘ ↦ eᵘ ; u'/u ↦ ln u (u > 0) ; u'uⁿ ↦ uⁿ⁺¹/(n + 1).
Équation différentielle
Équation dont l'inconnue est une fonction et qui relie cette fonction à ses dérivées.
y' = ay
Solutions x ↦ C e^(ax), C réel.
y' = ay + b
Solutions x ↦ C e^(ax) − b/a (a ≠ 0) ; une condition initiale fixe C.

Repères

DateÉvénement
1671Newton rédige la Méthode des fluxions (publiée en 1736).
1675Leibniz introduit le signe ∫ dans ses manuscrits.
1701Newton publie anonymement la loi du refroidissement.
1768Euler propose une méthode d'approximation des solutions.

Les historiens en débat

Newton et Leibniz ont fondé le calcul sur deux problèmes inverses : trouver la vitesse connaissant la position (dérivation), retrouver la position connaissant la vitesse (primitive). Les équations différentielles sont devenues le langage des sciences : mécanique, électricité, chimie, démographie. Synthèse du professeur.

Pour aller plus loin

Sources et bibliographie

Différenciation : un rythme de travail différent

Déroulé d'ensemble

SéanceTitreDuréeObjectif
Séance 1Primitives65 minretrouver une fonction à partir de sa dérivée
Séance 2Les équations y' = ay et y' = ay + b65 minrésoudre et modéliser
ÉvaluationÉvaluation de fin de séquence (/20)55 minVérifier les acquis : connaissances, capacités, rédaction

Chaque séance dure environ 55 minutes à distance : lancement en classe virtuelle ou par message sur l'ENT, recherche du problème (calculatrice, tableur, GeoGebra ou Python dans le navigateur), mise en commun, cours et trace écrite. Les élèves renvoient la fiche à trous et leur production par l'ENT ou en photo.

Séance 1 · Primitives

65 min

Séance approfondie : cours développé, documents sourcés, activités exigeantes, corrigés et barème.

Problématique de la séance

Connaissant la vitesse, retrouver la position

Déroulé minuté à distance

Le cours développé (récit du professeur) · Primitives

F est une primitive de f sur I si F' = f : c'est l'opération inverse de la dérivation, et une solution de l'équation différentielle y' = f. Toute fonction continue sur un intervalle admet des primitives (démontré avec les intégrales). Si F est une primitive, les autres sont F + C : une condition initiale F(x₀) = y₀ en sélectionne une seule. On lit les primitives de référence à l'envers du tableau des dérivées, et les formes composées : u'eᵘ a pour primitive eᵘ ; u'/u a pour primitive ln u si u > 0 ; u'uⁿ a pour primitive uⁿ⁺¹/(n + 1). Certaines fonctions, comme e^(−x²), n'ont pas de primitive exprimable avec les fonctions usuelles.

Document 1 · Le vélo électrique

Situation-problème.

Un vélo électrique démarre ; sa vitesse (en m/s) est v(t) = 0,6t pendant les 10 premières secondes. On note d(t) la distance parcourue depuis le départ, avec d(0) = 0.

Source : Situation construite pour la séance par le professeur (données fictives, choisies pour être réalistes).

Activité 1 · Chercher

12 min
Essentiel

Supports : Document 1

Consigne :

Retrouvez la distance.

  1. Quel lien entre d et v ?
    ✔ Corrigé :

    d' = v.

  2. Proposez une primitive de v.
    ✔ Corrigé :

    0,3t² (vérification : sa dérivée vaut 0,6t).

  3. Distance après 10 s ?
    ✔ Corrigé :

    d(t) = 0,3t² car d(0) = 0 ; d(10) = 30 m.

Critère de réussitePoints
Résultats justes et justifiés6
Total de l'activité6

Activité 2 · S'entraîner

18 min
Essentiel

Supports : Cours

Consigne :

Déterminez une primitive.

  1. 4x³ − 2x + 5.
    ✔ Corrigé :

    x⁴ − x² + 5x.

  2. 3e^(3x) et e^(−x).
    ✔ Corrigé :

    e^(3x) ; −e^(−x).

  3. (2x + 1)(x² + x)⁴.
    ✔ Corrigé :

    (x² + x)⁵/5.

Critère de réussitePoints
Méthode et résultats7
Total de l'activité7

Activité 3 · Communiquer

15 min
Travail à rendre

Supports : Documents et cours

Consigne :

Expliquez (8 lignes) pourquoi une fonction a une infinité de primitives et comment une condition initiale permet de n'en garder qu'une, en reprenant l'exemple du vélo. Pour bien commencer : Si F est une primitive, alors F + C… · Car la dérivée d'une constante… · Dans l'exemple du vélo, la condition…

✔ Corrigé rédigé :

Dérivée d'une constante nulle ; ensemble F + C ; condition d(0) = 0 qui fixe C = 0 ; interprétation physique (point de départ) ; clarté.

Critère de réussitePoints
Raisonnement5
Rédaction2
Total de l'activité7

Trace écrite (à faire recopier ou à déposer sur l'ENT)

F est une primitive de f si F' = f. Deux primitives diffèrent d'une constante. Une primitive de u'eᵘ est eᵘ. Une condition initiale permet de choisir une seule primitive.

Barème récapitulatif des activités notées

ActivitéPoints
Activité 1 · Chercher6
Activité 2 · S'entraîner7
Activité 3 · Communiquer7
Total20 / 20

Séance 2 · Les équations y' = ay et y' = ay + b

65 min

Séance approfondie : cours développé, documents sourcés, activités exigeantes, corrigés et barème.

Problématique de la séance

À quelle vitesse un café refroidit‑il ?

Déroulé minuté à distance

Le cours développé (récit du professeur) · Équations linéaires du premier ordre

y' = ay (a réel) : les solutions sont les fonctions x ↦ C e^(ax). Démonstration : si f est solution, (f(x) e^(−ax))' = f'(x)e^(−ax) − a f(x)e^(−ax) = 0, donc f(x)e^(−ax) est constant. y' = ay + b (a ≠ 0) : la fonction constante −b/a est solution ; f est solution si et seulement si f + b/a est solution de y' = ay ; les solutions sont donc x ↦ C e^(ax) − b/a. Une condition initiale y(x₀) = y₀ détermine C. Si a < 0, toutes les solutions tendent vers la constante −b/a : c'est l'équilibre du système (température ambiante, tension finale, vitesse limite).

Document 1 · La charge d'un condensateur

Situation-problème.

Dans un circuit RC, la tension u (en V) aux bornes d'un condensateur vérifie u' = −2u + 24 (t en secondes), et u(0) = 0.

Source : Situation construite pour la séance par le professeur (données fictives, choisies pour être réalistes).

Activité 1 · Chercher

12 min
Essentiel

Supports : Document 1

Consigne :

Résolvez.

  1. Solution constante ?
    ✔ Corrigé :

    u = 12.

  2. Solutions de l'équation ?
    ✔ Corrigé :

    u(t) = C e^(−2t) + 12.

  3. Avec u(0) = 0 ?
    ✔ Corrigé :

    C = −12 : u(t) = 12(1 − e^(−2t)).

Critère de réussitePoints
Résultats justes et justifiés6
Total de l'activité6

Activité 2 · S'entraîner

18 min
Essentiel

Supports : Cours

Consigne :

Résolvez.

  1. y' = 3y, y(0) = 2.
    ✔ Corrigé :

    y = 2e^(3x).

  2. y' + 0,5y = 4.
    ✔ Corrigé :

    y' = −0,5y + 4 : y = C e^(−0,5x) + 8.

  3. Limite de u en +∞ ? Instant où u = 11,9 V ?
    ✔ Corrigé :

    12 V ; e^(−2t) = 1/120, t = ln(120)/2 ≈ 2,4 s.

Critère de réussitePoints
Méthode et résultats7
Total de l'activité7

Activité 3 · Démontrer

15 min
Travail à rendre

Supports : Documents et cours

Consigne :

Démontrez que les solutions de y' = ay sont les fonctions C e^(ax), puis rédigez l'étude du café de 80 °C dans une pièce à 20 °C avec T' = −0,1(T − 20) (8 à 10 lignes). Pour bien commencer : Soit f une solution ; je considère g(x) = f(x) e^(−ax)… · g' est nulle, donc… · Pour le café, …

✔ Corrigé rédigé :

Démonstration complète avec la réciproque ; T(t) = 20 + 60 e^(−0,1t) ; interprétation de l'équilibre 20 °C ; calcul d'un instant ; rigueur.

Critère de réussitePoints
Raisonnement5
Rédaction2
Total de l'activité7

Trace écrite (à faire recopier ou à déposer sur l'ENT)

Les solutions de y' = ay sont les fonctions C e^(ax). La fonction constante −b/a est solution de y' = ay + b. Une condition initiale détermine la constante C. Si a < 0, les solutions tendent vers l'équilibre.

Barème récapitulatif des activités notées

ActivitéPoints
Activité 1 · Chercher6
Activité 2 · S'entraîner7
Activité 3 · Démontrer7
Total20 / 20

Fiche à trous · corrigé

F est une primitive de f si F' = f.

Deux primitives d'une même fonction diffèrent d'une constante.

Les solutions de y' = ay sont les fonctions x ↦ C e^(ax).

La solution constante de y' = ay + b est y = −b/a.

La version élève contient la même fiche avec une banque de mots (papier ou ENT).

Évaluation de fin de séquence (/20) · barème et corrigé

Évaluation sur 20 à faire en temps limité sur l'ENT ou sur papier, puis à renvoyer en photo ; le corrigé et le barème servent aussi à l'autoévaluation. En Bac Pro, elle est construite comme une situation de contrôle en cours de formation (problème contextualisé, compétences évaluées) ; en 1re générale, elle prépare à l'épreuve anticipée (automatismes sans calculatrice et exercices) ; en Terminale générale, aux exercices indépendants de l'épreuve de spécialité.

N°QuestionBarèmeCorrigé et critères
1Déterminez une primitive de : f(x) = 3x² − 4x + 1 ; g(x) = e^(2x) ; h(x) = 2x/(x² + 1) ; k(x) = 1/x² sur ]0 ; +∞[.4 ptsx³ − 2x² + x ; e^(2x)/2 ; ln(x² + 1) ; −1/x. Un point par primitive.
2Résolvez y' = −2y + 6 et donnez la solution telle que y(0) = 1. Quelle est sa limite en +∞ ?8 ptsSolution constante 3 ; solutions y = C e^(−2x) + 3 ; y(0) = 1 donne C = −2 : y = 3 − 2e^(−2x), limite 3. Solution générale (4 pts), condition initiale (2 pts), limite (2 pts).
3Un café à 80 °C est posé dans une pièce à 20 °C. Selon la loi de Newton, sa température T (°C) vérifie T' = −0,1(T − 20), t en minutes. Déterminez T(t), puis l'instant où le café atteint 50 °C. Pour bien commencer : *L'équation s'écrit sous la forme y' = ay + b avec…* · *Avec la condition initiale, …* · *Le café atteint 50 °C au bout de…*8 ptsT' = −0,1T + 2, solution constante 20, T = C e^(−0,1t) + 20, T(0) = 80 donne C = 60 : T(t) = 20 + 60 e^(−0,1t). 60 e^(−0,1t) = 30, t = 10 ln 2 ≈ 6,9 min. Résolution (5 pts), seuil (3 pts).
Total20 pts

Pistes pour un rythme de travail différent