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→∞ (√(x2 + 7x) − x).

f(x) = √(x2 + 7x) − xx → ∞
L =
2.LimitesDifficile
xyx = 0

Trouvez la limite L = limx→0 (1 − cos 5x)/(2x²), avec x en radians.

f(x) = (1 − cos 5x)/(2x²)x → 0
L =
3.DérivéesMoyen
xyx = −2

Soit f(x) = ln(2x2 + 1). Calcule f′(−2).

f(x) = ln(2x2 + 1)x = −2
f′(−2) =
4.DérivéesDifficile
xyx = 3

La tangente à f(x) = 2x2 − 2x + 3 en x = 3 coupe l'axe des y en y = b. Trouve b.

f(x) = 2x2 − 2x + 3x = 3
b =
5.OptimisationMoyen
côté rue: €15/m€12/myyx

Un terrain rectangulaire de 800 m² est clôturé sur ses quatre côtés. Le côté le long de la rue, de longueur x, coûte 15 € par mètre ; les trois autres côtés coûtent 12 € par mètre. Trouvez la longueur x du côté rue qui minimise le coût.

A = 800 m²€15/m€12/m
x = m
6.OptimisationDifficile
qP(q)maximum

Une petite entreprise vend son produit au prix de marché fixe de 80 € par unité. Produire q unités coûte C(q) = 10400 + 8q + 0,05q² euros. Trouvez la production q qui maximise le bénéfice.

p = €80C = 10400 + 8q + 0,05q²
q = unités
7.IntégralesMoyen
xy14y = x ln x

Calculez I = ∫₁4 x·ln x dx.

∫₁4 x ln x dx
I =
8.IntégralesDifficile
xy−22

Calcule l'aire A du domaine entre la parabole y = 4 − x² et l'axe des x.

y = 4 − x²
A =
9.Équations différentiellesMoyen
t (min)T (°C)54Ta​T = ?

Une pièce d’acier forgé à 300 °C refroidit dans un atelier à 29 °C. Elle suit la loi de refroidissement de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Avec k = 0,04 min⁻¹, trouvez sa température T au bout de 54 min.

T0 = 300 °CTa = 29 °Ck = 0,04 min⁻¹t = 54 min
T = °C
10.Équations différentiellesDifficile
ty2y(2) = ?

Résolvez y′ + 3y = 8e−t avec y(0) = 4. Trouvez y(2).

y′ + 3y = 8e−ty(0) = 4
y(2) =
11.Suites et sériesMoyen
k|aₖ₊₁/aₖ|123456789101112

Appliquez le test du rapport à Σk=1∞ 3ᵏ·k!/kᵏ. Trouvez L = lim |ak+1/ak|.

ak = 3ᵏ·k!/kᵏ
L =
12.Suites et sériesDifficile

f(x) = cos x est approchée par son polynôme de Maclaurin de degré 2 en x = −0,5. Utilisez la majoration de l’erreur de Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! avec M = 1 pour trouver la plus grande erreur possible |R₂|.

f(x) = cos xn = 2x = −0,5M = 1
|R₂| =

3Solutions

1.Limites

Réponse: L = 3,5

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).

Multiplier par l’expression conjuguée

f(x) = 7x/(√(x2 + 7x) + x)

Diviser par x

f(x) = 7/(√(1 + 7/x) + 1)

Faire tendre x → ∞

L = 7/(1 + 1) = 3,5

Réponse

L = 3,5
2.Limites

Réponse: L = 6,25

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

5·sin 5x/(4x) → 0/0

Seconde application

25·cos 5x/4

Remplacer x par 0

L = 25/4 = 6,25

Réponse

L = 6,25
3.Dérivées

Réponse: f′(−2) = −0,8889

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) = 4x/(2x2 + 1)

Remplacer

f′(−2) = −8/9 = −0,8889

Réponse

f′(−2) = −0,8889
4.Dérivées

Réponse: b = −15

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.

Point et pente

f(3) = 15
f′(x) = 4x − 2 → f′(3) = 10

Tangente en x = 0

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 15 − 10·3 = −15

Réponse

b = −15
5.Optimisation

Réponse: x = 26,67 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) = 27x + 19200/x

Annuler la dérivée

C″(x) = 38400/x³ > 0, c’est donc un minimum.

x = √(19200/27) = 26,67 m
y = 800/26,67 = 30 m

Coût minimal

C = 27·26,67 + 19200/26,67 = €1440

Réponse

x = 26,67 m
6.Optimisation

Réponse: q = 720 unités

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) = 80q − (10400 + 8q + 0,05q²) = −0,05q2 + 72q − 10400

Annuler la dérivée

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

72 − 0,1q = 0 → q = 720

Bénéfice maximal

P = 72·720 − 0,05·720² − 10400 = €15520

Réponse

q = 720
7.Intégrales

Réponse: I = 7,34

Intégration par parties : ∫u·dv = u·v − ∫v·du, issue de la règle du produit. Choisissez pour u le facteur qui se simplifie quand on le dérive (une puissance de x, ou ln x), et pour dv le facteur que vous savez intégrer (eˣ, sin x, cos x, ou x lorsque u = ln x). Pour une intégrale définie, évaluez u·v aux deux bornes : ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Un facteur x² demande deux étapes.

Choisir u et dv

u = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2

Primitive

∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4

Limites

(8·ln 4 − 4) − (0 − 0,25) = 7,34

Réponse

I = 7,34
8.Intégrales

Réponse: A = 10,67

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.

Zéros

4 − x² = 0 → x = ±2

Intégrer

A = [4x − x³/3]−22 = 5,333 − (−5,333) = 10,67

Réponse

A = 10,67
9.Équations différentielles

Réponse: T = 60,25 °C

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.

Solution de la loi de refroidissement

T(t) = 29 + 271·e−0,04t

Remplacer t

T(54) = 29 + 271·0,1153 = 60,25 °C

Réponse

T = 60,25 °C
10.Équations différentielles

Réponse: y(2) = 0,5413

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 = e3t
(e3ty)′ = 8e2t

Solution générale

y = 8/2·e−t + C·e−3t = 4·e−t + C·e−3t

Condition initiale

4 = 4 + C → C = 0

Évaluer

y(2) = 4·0,1353 + 0·0,002479 = 0,5413

Réponse

y(2) = 0,5413
11.Suites et séries

Réponse: L = 1,104

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.

Rapport de termes consécutifs

|ak+1/ak| = 3·(k/(k + 1))ᵏ = 3/(1 + 1/k)ᵏ → 3/e

Conclusion

L = 1,104 > 1

Réponse

L = 1,104

L > 1, donc la série diverge.

12.Suites et séries

Réponse: |R₂| = 0,02083

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.

Majoration de la dérivée

M = 1

Majoration de Lagrange

|R₂| ≤ 1·0,5³/3! = 0,02083

Réponse

|R₂| = 0,02083

L’erreur réelle est plus petite : |f(−0,5) − P₂(−0,5)| = 0,002583.

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