Il est possible de décrire au moyen dune équation différentielle lévolution de la taille de la population d'un pays qui présente les caractéristiques suivantes : par an, le taux de renouvellement est de 20 pour 1000 habitants, et le taux de mortalité est de 15 pour 1000 habitants.
Soit la taille de la population lannée t, exprimée en milliers dhabitants.
La variation annuelle de la taille de la population peut être quantifiée à laide de la quantité . Ainsi, on peut écrire, par le jeu dune balance entre renouvellement naturel et mortalité :
avec :
- a le taux de renouvellement de la population ;
- b le taux de mortalité de la population ;
- r le taux daccroissement absolu de la population : .
Pour connaître lévolution de N en fonction de t, il faut maintenant résoudre :
Il sagit dune équation différentielle à variable séparable qui sintègre simplement :
La valeur de K dépend de la condition initiale choisie. Si on suppose que , il vient :
Voici la représentation graphique de la relation N en fonction de t pour différentes valeurs de :
Pendant une période à
du développement dun organisme, on admet que la vitesse de croissance pondérale est proportionnelle à son poids. On obtient alors équation suivante :
avec p le poids (en g) et k le taux daccroissement (I)
Le temps est exprimé en jours.
On sait dautre part quà ,
.
Cette équation à variables séparables sintègre facilement (voir ci-dessus) :
A laide de mesure faites sur un grand nombre dindividus, on a obtenu les résultats suivants :
A ,
A ,
Ces données expérimentales permettent destimer une valeur pour k : .
On peut ainsi tracer grossièrement lévolution du poids de lorganisme au cours de la croissance (courbe rose) :
Cependant, il paraît peu probable que la croissance pondérale de lorganisme considère soit aussi rapide, et surtout illimitée. On est alors amené à proposer une autre équation, qui fait intervenir un terme de ralentissement de la croissance :
(II)
Cette équation est aussi à variables séparables :
Pour intégrer léquation, il faut alors faire une décomposition en éléments simples :
Ainsi :
On obtient finalement :
Une rapide étude de cette fonction permet de voir que :
(ce que lon attendait) et
Enfin, par un raisonnement simple, on montre que pour des temps petits (proches de ), on a
. Ceci signifie que les courbes intégrales des équations (I) et (II) sont confondues pour des valeurs de t faibles (voir courbe bleue).
On désigne par f la densité de probabilité de rencontre entre deux animaux dans des conditions déterminées (par exemple en laboratoire). On suppose que cette densité de probabilité est fonction du temps :
Une rapide étude de fonction conduit à la représentation graphique suivante :
On peut alors calculer la probabilité p que deux animaux se rencontrent entre les instants et
à laide de lintégrale suivante :
Ainsi, est nécessairement égale à 1 (probabilité que deux animaux se rencontrent entre
et linfini) :
Ce calcul seffectue à laide dune intégration par partie :
On pose et
. Il vient
et
.
Ainsi, . En tenant compte du fait que
, on obtient :*
Pour revenir aux équations différentielles, on peut chercher à résoudre léquation suivante :
Léquation caractéristique est , ce qui conduit immédiatement à la solution générale :
Si on cherche la solution particulière telle que et
, on retrouve exactement :