Résoudre des problèmes de taux de variation en analyse

Taux liés, solutions détaillées et exercices d'entraînement

Les problèmes de taux de variation en analyse et leurs solutions détaillées sont présentés ci-dessous.

Dans ce qui suit, \( C \) représente la constante d'intégration le cas échéant.

Exemples résolus

Problème 1

Un réservoir d'eau rectangulaire (voir la figure ci-dessous) est rempli à un taux constant de \( 20 \) litres par seconde. La base du réservoir a pour dimensions \( w = 1 \) mètre et \( L = 2 \) mètres. Quel est le taux de variation de la hauteur d'eau dans le réservoir ? (Exprimez la réponse en cm/s).

Problème de remplissage d'un réservoir d'eau rectangulaire
Figure 1. Remplissage d'un réservoir d'eau rectangulaire
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Le volume \( V \) d'eau dans le réservoir est donné par :

\[ V = w \times L \times H \]

Nous connaissons le taux de variation du volume \( \dfrac{dV}{dt} = 20 \) litres/s. Nous devons trouver le taux de variation de la hauteur \( H \), qui est \( \dfrac{dH}{dt} \). Puisque \( V \) et \( H \) sont des fonctions du temps \( t \), nous dérivons les deux côtés de la formule du volume par rapport à \( t \) :

\[ \frac{dV}{dt} = w \times L \times \frac{dH}{dt} \]

Remarque : \( w \) et \( L \) ne changent pas avec le temps et sont donc traités comme des constantes lors de la dérivation.

En isolant \( \dfrac{dH}{dt} \) :

\[ \frac{dH}{dt} = \frac{\dfrac{dV}{dt}}{w \times L} \]

Nous convertissons les unités en centimètres et centimètres cubes :

  • \( 1 \) litre = \( 1 \) décimètre cube = \( 1000 \; \text{cm}^3 \)
  • \( 1 \) mètre = \( 100 \; \text{cm} \)

En substituant les valeurs :

\[ \frac{dH}{dt} = \frac{20 \times 1000 \; \text{cm}^3/\text{s}}{100 \; \text{cm} \times 200 \; \text{cm}} = \frac{20\,000}{20\,000} = 1 \; \text{cm/s} \]

Problème 2

Un avion vole en ligne droite à une altitude constante de \( 5000 \) mètres (voir la figure ci-dessous). L'angle d'élévation de l'avion depuis un point d'observation fixe est \( a \). La vitesse de l'avion est de \( 500 \) km/h. Quel est le taux de variation de l'angle \( a \) lorsqu'il vaut \( 25^\circ \) ? (Exprimez la réponse en degrés par seconde et arrondissez à une décimale).

Problème de taux de variation de l'angle d'élévation de l'avion
Figure 2. Angle d'élévation de l'avion
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L'avion vole horizontalement à un taux de \( \dfrac{dx}{dt} = 500 \; \text{km/h} \). Par trigonométrie, nous relions l'angle \( a \), la hauteur \( h \) et la distance horizontale \( x \) :

\[ \tan a = \frac{h}{x} \]

Puisque \( a \) et \( x \) sont des fonctions du temps \( t \), nous dérivons les deux côtés par rapport à \( t \) :

\[ \frac{d(\tan a)}{dt} = \frac{d\left(\frac{h}{x}\right)}{dt} \]

En utilisant la règle de dérivation en chaîne :

\[ \frac{d(\tan a)}{dt} = (\sec^2 a) \frac{da}{dt} \] \[ \frac{d\left(\frac{h}{x}\right)}{dt} = h \left(-\frac{1}{x^2}\right) \frac{dx}{dt} \quad (\text{puisque } h \text{ est constante}) \]

En égalant les deux dérivées :

\[ (\sec^2 a) \frac{da}{dt} = -\frac{h}{x^2} \frac{dx}{dt} \implies \frac{da}{dt} = \frac{-\frac{h}{x^2} \frac{dx}{dt}}{\sec^2 a} \]

De \( \tan a = \dfrac{h}{x} \), nous avons \( x = \dfrac{h}{\tan a} \). En substituant \( x^2 = \dfrac{h^2}{\tan^2 a} \) :

\[ \frac{da}{dt} = \frac{-\frac{h \tan^2 a}{h^2} \frac{dx}{dt}}{\sec^2 a} = -\frac{\tan^2 a}{h} \frac{dx}{dt} \cdot \cos^2 a = -\frac{\sin^2 a}{h} \frac{dx}{dt} \]

En utilisant les conversions d'unités (\( 1 \; \text{km} = 1000 \; \text{m} \), \( 1 \; \text{heure} = 3600 \; \text{s} \)), la vitesse \( \dfrac{dx}{dt} = 500 \; \text{km/h} = \dfrac{500\,000 \; \text{m}}{3600 \; \text{s}} \), la hauteur \( h = 5000 \; \text{m} \) et \( a = 25^\circ \) :

\[ \frac{da}{dt} = -\frac{\sin^2(25^\circ)}{5000} \left(\frac{500\,000}{3600}\right) \approx -0,005 \; \text{radians/s} \]

En convertissant les radians en degrés (\( 180/\pi \)) :

\[ \frac{da}{dt} = -0,005 \times \frac{180}{\pi} \approx -0,2865 \approx -0,3 \; \text{degrés/s} \]

Problème 3

Si deux résistances de valeurs \( R_1 \) et \( R_2 \) sont connectées en parallèle comme indiqué sur la figure ci-dessous, leur comportement électrique est équivalent à une résistance de valeur \( R \) telle que :

\[ \frac{1}{R} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} \]

Si \( R_1 \) varie avec le temps à un taux \( \dfrac{dR_1}{dt} \) et que \( R_2 \) est constante, exprimez le taux de variation \( \dfrac{dR}{dt} \) en fonction de \( \dfrac{dR_1}{dt} \), \( R_1 \) et \( R_2 \).

Problème de résistances en parallèle
Figure 3. Circuit de résistances en parallèle
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En dérivant les deux côtés de l'équation de résistance en parallèle par rapport au temps \( t \) (en notant que \( R_2 \) est constante) :

\[ -\frac{1}{R^2} \frac{dR}{dt} = -\frac{1}{R_1^2} \frac{dR_1}{dt} \]

En isolant \( \dfrac{dR}{dt} \) :

\[ \frac{dR}{dt} = \left(\frac{R}{R_1}\right)^2 \frac{dR_1}{dt} \]

De \( \dfrac{1}{R} = \dfrac{1}{R_1} + \dfrac{1}{R_2} \), nous pouvons exprimer \( R \) explicitement :

\[ R = \frac{R_1 R_2}{R_1 + R_2} \]

En substituant \( R \) dans l'équation de la dérivée :

\[ \frac{dR}{dt} = \left(\frac{\frac{R_1 R_2}{R_1 + R_2}}{R_1}\right)^2 \frac{dR_1}{dt} = \left(\frac{R_2}{R_1 + R_2}\right)^2 \frac{dR_1}{dt} \]

Exercices et solutions

  1. Trouvez une formule pour le taux de variation \( \dfrac{dV}{dt} \) du volume d'un ballon gonflé de telle sorte que son rayon \( R \) augmente à un taux égal à \( \dfrac{dR}{dt} \).
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    \[ V = \frac{4}{3}\pi R^3 \implies \frac{dV}{dt} = \frac{4}{3}\pi (3R^2) \frac{dR}{dt} = 4\pi R^2 \frac{dR}{dt} \]
  2. Trouvez une formule pour le taux de variation \( \dfrac{dA}{dt} \) de l'aire \( A \) d'un carré dont la longueur du côté \( x \) en centimètres varie à un taux égal à \( 2 \; \text{cm/s} \).
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    \[ A = x^2 \implies \frac{dA}{dt} = 2x \frac{dx}{dt} = 2x(2) = 4x \; \text{cm}^2/\text{s} \]
  3. Deux voitures partent du même point dans deux directions formant un angle de \( 90^\circ \) à des vitesses constantes \( s_1 \) et \( s_2 \). Trouvez une formule pour le taux de variation de la distance \( D \) entre les deux voitures.
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    \[ D^2 = x^2 + y^2 \] En dérivant implicitement par rapport à \( t \) : \[ 2D \frac{dD}{dt} = 2x \frac{dx}{dt} + 2y \frac{dy}{dt} \implies \frac{dD}{dt} = \frac{x s_1 + y s_2}{D} \] Puisque \( x = s_1 t \), \( y = s_2 t \) et \( D = \sqrt{(s_1 t)^2 + (s_2 t)^2} = t\sqrt{s_1^2 + s_2^2} \) : \[ \frac{dD}{dt} = \sqrt{s_1^2 + s_2^2} \]

Références et liens