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1Formules et méthodes
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
Réécrivez l’intégrande comme une somme de termes simples si possible.
Appliquez la règle des puissances : ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), et les primitives usuelles de ex, 1/x, sin et cos.
Utilisez un changement de variable quand une fonction et sa dérivée apparaissent ensemble.
Pour une intégrale définie, calculez F(b) − F(a).
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
Identifiez le type : arithmétique (différence constante), géométrique (rapport constant), une série usuelle, une série entière ou un polynôme de Taylor.
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.
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.
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)!.
Analyse à plusieurs variables
Dérivées partielles
fx = ∂f/∂x (y constant), fxy = fyx
Gradient
∇f = (fx, fy), largest slope |∇f|
Dérivée directionnelle
Duf = ∇f·u, u = v/|v|
Plan tangent
z = f(a, b) + fx(x − a) + fy(y − b)
Dérivation en chaîne
dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt
Test des dérivées secondes
D = fxxfyy − fxy²: D > 0, fxx > 0 minimum; D > 0, fxx < 0 maximum; D < 0 saddle
Intégrale double
∬R f dA = ∫ab∫g(x)h(x) f dy dx
Coordonnées polaires
x = r cos θ, y = r sin θ, dA = r dr dθ
Méthode
Pour une dérivée partielle, traitez l’autre variable comme une constante et utilisez les règles à une variable.
Pour les questions de gradient, calculez ∇f = (fx, fy) au point ; utilisez |∇f| pour la pente maximale et ∇f·u avec un vecteur unitaire u pour une dérivée directionnelle.
Pour les extremums, résolvez fx = 0 et fy = 0 ensemble, puis classez chaque point avec D = fxx·fyy − fxy².
Pour une intégrale double, esquissez la région, choisissez l’ordre (ou les coordonnées polaires pour les disques) de sorte que les bornes intérieures soient les courbes qui la délimitent, et intégrez d’abord l’intérieur.
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
2Exercices
1.IntégralesMoyen
Calculez I = ∫₁1,5 x·ln x dx.
∫₁1,5 x ln x dx
I =
2.IntégralesDifficile
La région entre la droite y = 4x et la parabole y = 3x² tourne autour de l’axe des x. Trouvez le volume V du solide.
y = 4xy = 3x²
V =
3.Suites et sériesMoyen
La série entière Σk=1∞ k!·(x − 3)ᵏ/kᵏ converge sur un intervalle autour de x₀ = 3. Trouvez l’extrémité gauche x de cet intervalle.
Σ k!·(x − 3)ᵏ/kᵏx₀ = 3
x =
4.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| =
5.Analyse à plusieurs variablesMoyen
z = −2x³y² + 3x² − 3y² + 3xy avec x = 3t et y = −t² − 2. Utilisez la dérivation en chaîne pour trouver dz/dt en t = −1.
f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 16xy a un point critique en (2, 2). Calculez-y le discriminant D = fxxfyy − fxy².
f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 16xyP = (2, 2)
D =
7.Équations différentiellesMoyen
Résolvez y″ + 4y′ + 4y = 0 avec y(0) = 3 et y′(0) = 4. Trouvez y(0,5).
y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 3y′(0) = 4
y(0.5) =
8.Équations différentiellesDifficile
Un système obéit à y″ + 4y′ + 8y = 8 pour t ≥ 0, à partir du repos : y(0) = 0, y′(0) = 0. Trouvez la valeur de pic ymax de sa réponse indicielle.
y″ + 4y′ + 8y = 8y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3Solutions
1.Intégrales
Réponse: I = 0,1436
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
(1,125·ln 1,5 − 0,5625) − (0 − 0,25) = 0,1436
Réponse
I = 0,1436
2.Intégrales
Réponse: V = 15,89
Volumes de révolution : la rotation autour de l’axe des x de la région sous y = f(x), de x = a à x = b, engendre un solide dont la section en x est un disque de rayon f(x). La somme des disques donne V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Lorsque la région est comprise entre une courbe extérieure R(x) et une courbe intérieure r(x), chaque tranche est une rondelle : V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Élevez les rayons au carré avant de les soustraire.
Points d'intersection
4x = 3x² → x = 0, x = 1,333
Méthode des rondelles
V = π∫₀1,333 ((4x)² − (3x²)²) dx
Intégrer
V = π(16·1,333³/3 − 9·1,333⁵/5) = π·5,057 = 15,89
Réponse
V = 15,89
3.Suites et séries
Réponse: x = 0,2817
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 + 1/k)ᵏ → e
Rayon
R = 2,718
Intervalle
0,2817 < x < 5,718
x = 0,2817
Réponse
x = 0,2817
Le test du rapport ne dit rien aux deux extrémités ; il faut les vérifier séparément.
4.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.
5.Analyse à plusieurs variables
Réponse: dz/dt = −2169
Gradient : ∇f = (fx, fy) pointe dans la direction de la plus forte montée, et |∇f| est le taux de variation maximal. La dérivée directionnelle suivant une direction v est Duf = ∇f·u avec le vecteur unitaire u = v/|v|. Le plan tangent en (a, b) est z = f(a, b) + fx(a, b)(x − a) + fy(a, b)(y − b) ; il donne l’approximation linéaire de f près de ce point. Dérivation en chaîne : dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt.
Point et taux de variation
x(−1) = −3, y(−1) = −3
dx/dt = 3, dy/dt = −2t = 2
Dérivées partielles
fx = −6x²y² + 6x + 3y = −513
fy = −4x³y − 6y + 3x = −315
Dérivation en chaîne
dz/dt = (−513)·3 + (−315)·2 = −2169
Réponse
dz/dt = −2169
6.Analyse à plusieurs variables
Réponse: D = 2048
Points critiques et intégrales doubles : un point critique vérifie fx = fy = 0. Test des dérivées secondes avec D = fxxfyy − fxy² : D > 0 et fxx > 0 est un minimum local, D > 0 et fxx < 0 un maximum local, D < 0 un point selle, et D = 0 ne permet pas de conclure. Pour une intégrale double sur une région générale, prenez comme bornes intérieures les courbes qui délimitent la région ; pour des disques et des secteurs, utilisez les coordonnées polaires, x = r cos θ, y = r sin θ et dA = r dr dθ (n’oubliez pas le facteur r).
Dérivées secondes
fxx = 48, fyy = 48, fxy = −16
Discriminant
D = 48·48 − (−16)² = 2048
→ minimum local
Réponse
D = 2048
7.Équations différentielles
Réponse: y(0.5) = 2,943
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 + 2)² = 0 → r = −2
Constantes
A = y(0) = 3
y′(0) = B − 2A → B = 4 + 6 = 10
Évaluer
y(0,5) = (3 + 10·0,5)·e−1 = 2,943
Réponse
y(0,5) = 2,943
8.Équations différentielles
Réponse: ymax = 1,043
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.