Exercices pour l’AP Calculus : pack de révision

Formulaires, étapes clés de la méthode pour chaque thème et 12 exercices, avec les corrigés complets à la fin.

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1Formules et méthodes

Limites

Substitution directe
essayez d’abord x = a ; 0/0 signifie qu’il faut simplifier
Factoriser et simplifier
xⁿ − aⁿ = (x − a)(xⁿ⁻¹ + a·xⁿ⁻² + … + aⁿ⁻¹)
Expression conjuguée
(√x − √a)(√x + √a) = x − a
Limites à l’infini
divisez par la plus grande puissance de x ; des degrés égaux donnent le rapport des coefficients dominants
Limite remarquable
limx→∞ (1 + a/x)bx = eab
Règle de L'Hôpital
lim f/g = lim f′/g′ (0/0 or ∞/∞)

Dérivées

Règle des puissances
(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
Règle du produit
(uv)′ = u′v + uv′
Règle du quotient
(u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
Dérivation en chaîne
f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
Dérivées usuelles
(eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

Méthode

  1. Identifiez la structure : somme, produit, quotient ou composée.
  2. Appliquez la règle des puissances à chaque puissance de x.
  3. Utilisez la règle du produit, du quotient ou de dérivation des fonctions composées si nécessaire.
  4. Simplifiez, et évaluez au point si c’est demandé.

Optimisation

Méthode
exprimez Q(x) en fonction d’une seule variable, résolvez Q′(x) = 0, vérifiez avec Q″ ou les bornes
Maximum
Q′(x) = 0, Q″(x) < 0
Minimum
Q′(x) = 0, Q″(x) > 0
Cylindre fermé
V = πr²h, A = 2πr² + 2πrh
Bénéfice
P = R − C, R = p·q, maximum where MR = MC

Intégrales

Règle des puissances
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Intégrale définie
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Primitives usuelles
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Aire entre deux courbes
∫ab (f − g) dx

Méthode

  1. Réécrivez l’intégrande comme une somme de termes simples si possible.
  2. Appliquez la règle des puissances : ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), et les primitives usuelles de ex, 1/x, sin et cos.
  3. Utilisez un changement de variable quand une fonction et sa dérivée apparaissent ensemble.
  4. Pour une intégrale définie, calculez F(b) − F(a).

Équations différentielles

Croissance/décroissance exponentielle
dy/dt = ky → y = y0ekt
Demi-vie
k = ln 2 / t½
Loi de refroidissement de Newton
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Facteur intégrant
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Cuve de mélange
dm/dt = r·c − (r/V)·m

Suites et séries

Suite arithmétique
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
Suite géométrique
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
Série géométrique infinie
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
Série de Riemann
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
Test du rapport
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Rayon de convergence
R = lim |ck/ck+1|
Polynôme de Taylor
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
Série de Maclaurin
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
Majoration de l’erreur de Lagrange
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

Méthode

  1. Identifiez le type : arithmétique (différence constante), géométrique (rapport constant), une série usuelle, une série entière ou un polynôme de Taylor.
  2. Pour les sommes, utilisez Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r), ou S = a₁/(1 − r) quand |r| < 1, avec a₁ le premier terme de la somme.
  3. Pour la convergence : d’abord le test du terme général, puis comparez avec Σ1/kᵖ ou une série géométrique, et utilisez le test du rapport ou de la racine pour les factorielles et les puissances k-ièmes.
  4. Pour les polynômes de Taylor, listez f(a), f′(a), f″(a), …, divisez la dérivée k-ième par k!, et majore l’erreur par M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!.

2Exercices

1.LimitesMoyen
xyy = L

Trouvez la limite L = limx→∞ (1 + 0,5/x)2x. Donnez une valeur décimale.

f(x) = (1 + 0,5/x)2xx → ∞
L =
2.LimitesDifficile
xyx = 0

Trouvez la limite L = limx→0 (1 − cos 4x)/(3x²), avec x en radians.

f(x) = (1 − cos 4x)/(3x²)x → 0
L =
3.DérivéesMoyen
xyx = −2

Soit f(x) = ln(x2 + 4). Calcule f′(−2).

f(x) = ln(x2 + 4)x = −2
f′(−2) =
4.DérivéesDifficile
xy

Soit f(x) = x3 − 10,5x2 + 30x − 3. Trouve l'abscisse x du minimum local.

f(x) = x3 − 10,5x2 + 30x − 3
x =
5.OptimisationMoyen
côté rue: €20/m€12/myyx

Un terrain rectangulaire de 1200 m² est clôturé sur ses quatre côtés. Le côté le long de la rue, de longueur x, coûte 20 € par mètre ; les trois autres côtés coûtent 12 € par mètre. Trouvez la longueur x du côté rue qui minimise le coût.

A = 1200 m²€20/m€12/m
x = m
6.OptimisationDifficile
qP(q)maximum

Une entreprise vend q unités par semaine. Le prix auquel elle peut les vendre est p = 140 − 0,5q euros par unité, et le coût vaut C(q) = 2000 + 25q euros. Trouvez le prix p qui maximise le bénéfice.

p = 140 − 0,5qC = 2000 + 25q
p = €
7.IntégralesMoyen
xy01

Calcule I = ∫01 2x·(x² + 1)3 dx.

f(x) = 2x·(x² + 1)3[0, 1]
I =
8.IntégralesDifficile
xyy = 0,5x2​y = 4x

Calcule l'aire A du domaine délimité par y = 0,5x2 et y = 4x.

y = 0,5x2y = 4x
A =
9.Équations différentiellesMoyen
tyy(0) = 5y(2) = ?

Résolvez y″ + 8y′ + 16y = 0 avec y(0) = 5 et y′(0) = -2. Trouvez y(2).

y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 5y′(0) = -2
y(2) =
10.Équations différentiellesDifficile
xy13(1, 3)y(3) = ?

Résolvez le problème de Cauchy y′ + 3y/x = 6 pour x > 0, avec y(1) = 3. Trouvez y(3).

y′ + 3y/x = 6y(1) = 3
y(3) =
11.Suites et sériesMoyen
xx₀ = 0??R

Trouvez le rayon de convergence R de la série entière Σk=1∞ 5ᵏ·xᵏ/(k + 1).

Σ 5ᵏ·xᵏ/(k + 1)x₀ = 0
R =
12.Suites et sériesDifficile
xyfP₅1

Utilisez le polynôme de Maclaurin de degré 5 de f(x) = sin(2x) pour approcher f(1). Donnez P₅(1).

f(x) = sin(2x)n = 5x = 1
P₅(1) =

3Solutions

1.Limites

Réponse: L = 2,718

Limites : essayez d’abord la substitution directe. Si elle donne 0/0, simplifiez d’abord : factorisez et simplifiez le facteur commun, ou multipliez par l’expression conjuguée. Quand x → ∞, divisez le numérateur et le dénominateur par la plus grande puissance de x. Règle de L'Hôpital : si f/g donne 0/0 ou ∞/∞, alors lim f/g = lim f′/g′, en dérivant séparément le numérateur et le dénominateur (pas avec la règle du quotient).

Prendre le logarithme

ln L = limx→∞ 2·x·ln(1 + 0,5/x)

Évaluer

ln(1 + u)/u → 1 quand u → 0, donc x·ln(1 + a/x) → a.

ln L = 2·0,5 = 1

Annuler le logarithme

L = e1 = 2,718

Réponse

L = 2,718
2.Limites

Réponse: L = 2,667

Limites : essayez d’abord la substitution directe. Si elle donne 0/0, simplifiez d’abord : factorisez et simplifiez le facteur commun, ou multipliez par l’expression conjuguée. Quand x → ∞, divisez le numérateur et le dénominateur par la plus grande puissance de x. Règle de L'Hôpital : si f/g donne 0/0 ou ∞/∞, alors lim f/g = lim f′/g′, en dérivant séparément le numérateur et le dénominateur (pas avec la règle du quotient).

Première application

4·sin 4x/(6x) → 0/0

Seconde application

16·cos 4x/6

Remplacer x par 0

L = 16/6 = 2,667

Réponse

L = 2,667
3.Dérivées

Réponse: f′(−2) = −0,5

Dérivation : la dérivée f′(x) est la pente du graphe en x. Règle des puissances : (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Règle du produit : (uv)′ = u′v + uv′. Règle de dérivation en chaîne : (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Là où f′(x) = 0, le graphe a une tangente horizontale : un maximum, un minimum ou un point selle.

Dérivation en chaîne du logarithme

f′(x) = 2x/(x2 + 4)

Remplacer

f′(−2) = −4/8 = −0,5

Réponse

f′(−2) = −0,5
4.Dérivées

Réponse: x = 5

Dérivation : la dérivée f′(x) est la pente du graphe en x. Règle des puissances : (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Règle du produit : (uv)′ = u′v + uv′. Règle de dérivation en chaîne : (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Là où f′(x) = 0, le graphe a une tangente horizontale : un maximum, un minimum ou un point selle.

Dérivée

f′(x) = 3x2 − 21x + 30 = 3·(x2 − 7x + 10)

Résoudre f′(x) = 0

x = 2 ou x = 5

Lequel est lequel

f″(x) = 6x − 21 : négative en un maximum, positive en un minimum.

f″(2) = −9, f″(5) = 9
x = 5

Réponse

x = 5
5.Optimisation

Réponse: x = 30 m

Optimisation : écrivez la grandeur à optimiser comme une fonction d’une seule variable, en utilisant la contrainte pour éliminer l’autre. Annulez la dérivée et résolvez. Vérifiez que le point critique est un maximum ou un minimum (dérivée seconde ou changement de signe de la dérivée première) et qu’il se trouve dans l’intervalle autorisé ; une borne comme une longueur de côté nulle n’est pas la réponse.

Coût en fonction de x

C(x) = 32x + 28800/x

Annuler la dérivée

C″(x) = 57600/x³ > 0, c’est donc un minimum.

x = √(28800/32) = 30 m
y = 1200/30 = 40 m

Coût minimal

C = 32·30 + 28800/30 = €1920

Réponse

x = 30 m
6.Optimisation

Réponse: p = 82,5 €

Optimisation : écrivez la grandeur à optimiser comme une fonction d’une seule variable, en utilisant la contrainte pour éliminer l’autre. Annulez la dérivée et résolvez. Vérifiez que le point critique est un maximum ou un minimum (dérivée seconde ou changement de signe de la dérivée première) et qu’il se trouve dans l’intervalle autorisé ; une borne comme une longueur de côté nulle n’est pas la réponse.

Fonction de bénéfice

P(q) = (140 − 0,5q)·q − (2000 + 25q) = −0,5q2 + 115q − 2000

Annuler la dérivée

P″(q) = −1 < 0, c’est donc un maximum.

q = 115/1 = 115

Prix et bénéfice

p = 140 − 0,5·115 = €82,5
P = 115·115 − 0,5·115² − 2000 = €4613

Réponse

p = €82,5
7.Intégrales

Réponse: I = 3,75

Intégrales définies : ∫ₐᵇ f(x) dx est l'aire algébrique entre le graphe et l'axe des x de a à b. Trouve une primitive F (avec F′ = f) et calcule F(b) − F(a). Règle des puissances : ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). L'aire entre deux courbes est ∫(haute − basse) dx.

Changement de variable

u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫12 u3 du

Intégrer et évaluer

I = [u4/4]12 = (16 − 1)/4 = 3,75

Réponse

I = 3,75
8.Intégrales

Réponse: A = 42,67

Intégrales définies : ∫ₐᵇ f(x) dx est l'aire algébrique entre le graphe et l'axe des x de a à b. Trouve une primitive F (avec F′ = f) et calcule F(b) − F(a). Règle des puissances : ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). L'aire entre deux courbes est ∫(haute − basse) dx.

Points d'intersection

0,5x2 = 4x → x = 0, x = 8

Intégrer la haute moins la basse

A = [2x2 − 0,1667x3]08 = 42,67

Réponse

A = 42,67
9.Équations différentielles

Réponse: y(2) = 0,01375

Équations linéaires du second ordre : pour y″ + b·y′ + c·y = 0, essayez y = ert : on obtient l’équation caractéristique r² + b·r + c = 0. Deux racines réelles r₁ ≠ r₂ donnent y = A·er₁t + B·er₂t (suramorti) ; une racine double r donne y = (A + Bt)·ert (amortissement critique) ; des racines complexes −α ± jω donnent y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (sous-amorti, oscillant). Les valeurs initiales y(0) et y′(0) fixent A et B. Écrite sous la forme y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0, ωn est la pulsation propre et ζ le coefficient d’amortissement : ζ < 1 donne des oscillations. Avec une entrée constante, y″ + by′ + cy = c·K, la solution est la valeur stationnaire K plus la réponse libre.

Racine double

(r + 4)² = 0 → r = −4

Constantes

A = y(0) = 5
y′(0) = B − 4A → B = -2 + 20 = 18

Évaluer

y(2) = (5 + 18·2)·e−8 = 0,01375

Réponse

y(2) = 0,01375
10.Équations différentielles

Réponse: y(3) = 4,556

Équations différentielles du premier ordre : dy/dt = k·y a pour solution y = y₀·ekt (croissance pour k > 0, décroissance pour k < 0) ; une demi-vie T donne k = ln 2/T. La loi de refroidissement de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ), donne T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Une équation linéaire y′ + p(x)·y = q(x) se résout avec le facteur intégrant μ = e∫p dx : (μy)′ = μq, donc μy = ∫μq dx + C.

Facteur intégrant

μ = e∫3/x dx = x3

Intégrer

(x3y)′ = 6x3 → x3y = 6x4/4 + C

Condition initiale

3 = 6/4 + C → C = 1,5

Évaluer

y(3) = (6·34/4 + 1,5)/33 = 4,556

Réponse

y(3) = 4,556
11.Suites et séries

Réponse: R = 0,2

Convergence : si les termes ne tendent pas vers 0, la série diverge (test du terme général). Σ1/kᵖ ne converge que pour p > 1, et Σrᵏ que pour |r| < 1. Comparez une série à l’une d’elles quand ses termes se comportent comme celles-ci pour k grand. Test du rapport : L = lim |ak+1/ak| ; test de la racine : L = lim |ak|1/k. L < 1 converge, L > 1 diverge, L = 1 ne décide rien. Une série entière Σck(x − x₀)ᵏ converge pour |x − x₀| < R avec R = lim |ck/ck+1| ; une série alternée dont les termes décroissent vers 0 converge.

Coefficients

ck/ck+1 = (1/5)·(k + 2)/(k + 1) → 0,2

Rayon

R = 0,2

Réponse

R = 0,2

Le test du rapport ne dit rien aux deux extrémités ; il faut les vérifier séparément.

12.Suites et séries

Réponse: P₅(1) = 0,9333

Polynômes de Taylor : près de x = a, une fonction régulière est approchée par Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n! ; pour a = 0, c’est le polynôme de Maclaurin. Séries usuelles : eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + x⁵/5! − …, cos x = 1 − x²/2! + x⁴/4! − …, ln(1 + x) = x − x²/2 + x³/3 − …, 1/(1 − x) = Σxᵏ. Majoration de l’erreur de Lagrange : |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!, où M est la plus grande valeur de |f⁽ⁿ⁺¹⁾| entre a et x.

Polynôme de Maclaurin

P₅(x) = 2x − 1,333x³ + 0,2667x⁵

Remplacer

P₅(1) = 2 − 1,333333 + 0,266667 = 0,9333

Réponse

P₅(1) = 0,9333

La valeur exacte est f(1) = 0,909297 ; l’erreur −0,0240359 diminue quand on prend plus de termes ou un point plus proche de 0.

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