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Exercice corrigé : Refroidissement d'un gâteau (type bac)

Modéliser par une équation différentielleRésoudre une équation y' = ay + bDéterminer un paramètreRésoudre une équation avec le logarithmeÉtudier les variations et la limite

À l'instant $t=0$, un gâteau sort du four à la température de $180\,^\circ\mathrm C$ et est posé dans une cuisine à $20\,^\circ\mathrm C$. On note $\theta(t)$ sa température en $^\circ\mathrm C$ à l'instant $t$ en minutes. Selon la loi de Newton, il existe un réel $k>0$ tel que $$\theta'(t)=-k\big(\theta(t)-20\big)\quad\text{pour tout } t\geqslant0.$$

  1. Mettre cette équation sous la forme $y'=ay+b$ et donner ses solutions en fonction de $k$.
  2. En déduire que $\theta(t)=20+160e^{-kt}$.
  3. On mesure une température de $100\,^\circ\mathrm C$ au bout de $10$ minutes. Montrer que $k=\frac{\ln2}{10}$.
  4. Étudier le sens de variation de $\theta$ sur $[0;+\infty[$ et sa limite en $+\infty$. Interpréter.
  5. Montrer que, pour tout $t\geqslant0$, $\theta(t+10)-20=\frac12\big(\theta(t)-20\big)$. Interpréter.
  6. Le gâteau peut être servi lorsque sa température est inférieure ou égale à $40\,^\circ\mathrm C$. À partir de quel instant peut-il être servi ?

Le cours associé

Primitives et équations différentielles

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