Analyse 2 : pack de révision

Formulaires, étapes clés de la méthode pour chaque thème et 8 exercices, avec les corrigés complets à la fin.

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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

  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).

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)!.

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

  1. Pour une dérivée partielle, traitez l’autre variable comme une constante et utilisez les règles à une variable.
  2. 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.
  3. Pour les extremums, résolvez fx = 0 et fy = 0 ensemble, puis classez chaque point avec D = fxx·fyy − fxy².
  4. 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
xy14

Calcule I = ∫14 2/x dx.

f(x) = 2/x[1, 4]
I =
2.IntégralesDifficile
xy2y = x²eˣ

Calculez I = ∫₀2 x²·eˣ dx.

∫₀2 x²eˣ dx
I =
3.Suites et sériesMoyen
AΣ k!/3ᵏk = 1 … ∞BΣ k/3ᵏk = 1 … ∞CΣ (k + 5)/k²k = 1 … ∞DΣ (3/2)ᵏk = 1 … ∞

Exactement une des quatre séries converge. Cliquez dessus.

A: Σ k!/3ᵏB: Σ k/3ᵏC: Σ (k + 5)/k²D: Σ (3/2)ᵏ
  1. 1A: Σ k!/3ᵏ
  2. 2B: Σ k/3ᵏ
  3. 3C: Σ (k + 5)/k²
  4. 4D: Σ (3/2)ᵏ
4.Suites et sériesDifficile

f(x) = ln(1 + x) est approchée par son polynôme de Maclaurin de degré 5 en x = 0,5. Utilisez la majoration de l’erreur de Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! avec M = 5! = 120 pour trouver la plus grande erreur possible |R₅|.

f(x) = ln(1 + x)n = 5x = 0,5M = 120
|R₅| =
5.Analyse à plusieurs variablesMoyen
xy−500246vP

Pour f(x, y) = 5xy³ + 4y³ + 4xy, trouvez la dérivée directionnelle Duf en (−1, 3) dans la direction de v = (−4, −3).

f(x, y) = 5xy³ + 4y³ + 4xyP = (−1, 3)v = (−4, −3)
Duf =
6.Analyse à plusieurs variablesDifficile
xy−202−202(0, 0)(2, 2)(−2, −2)

Trouvez les points critiques de f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 16xy, classez-les, et donnez la valeur fmin de f en son minimum local.

f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 16xy
fmin =
7.Équations différentiellesMoyen
t (min)T (°C)10Ta​20 °C

Une canette de soda à 3 °C est sortie du réfrigérateur dans une pièce à 30 °C. Au bout de 10 min, sa température est de 20 °C. Elle suit la loi de refroidissement de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Trouvez la constante k en min⁻¹.

T0 = 3 °CTa = 30 °CT(10) = 20 °C
k = min⁻¹
8.Équations différentiellesDifficile
t (min)m (kg)t = ?103 kg

Une cuve contient 1000 L d’eau dans laquelle 5 kg de sel sont dissous. De la saumure contenant 0,25 kg de sel par litre entre à 5 L/min, et la solution bien mélangée sort au même débit. Au bout de combien de minutes t la cuve contient-elle 103 kg de sel ?

V = 1000 Lm0 = 5 kgc = 0,25 kg/Lr = 5 L/min
t = min

3Solutions

1.Intégrales

Réponse: I = 2,773

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.

Primitive

F(x) = 2·ln x

Évaluer aux bornes

I = 2·(ln 4 − ln 1) = 2·ln 4 = 2,773

Réponse

I = 2,773
2.Intégrales

Réponse: I = 12,78

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.

Première étape

∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx

Deuxième étape

∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)

Limites

7,389·(2) − 1·2 = 12,78

Réponse

I = 12,78
3.Suites et séries

Réponse: B: Σ k/3ᵏ

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.

Tester chaque série

A: Σ k!/3ᵏ → Test du rapport : L = lim (k + 1)/3 = ∞, diverge.
B: Σ k/3ᵏ → Test du rapport : L = 1/3 < 1, converge.
C: Σ (k + 5)/k² → Se comporte comme 1/k pour k grand : diverge par comparaison avec la série harmonique.
D: Σ (3/2)ᵏ → Géométrique de raison r = 3/2 > 1 : les termes croissent, donc elle diverge.

La réponse

B: Σ k/3ᵏ

Réponse

B: Σ k/3ᵏ
4.Suites et séries

Réponse: |R₅| = 0,002604

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 = 5! = 120

Majoration de Lagrange

|R₅| ≤ 120·0,5⁶/6! = 0,002604

Réponse

|R₅| = 0,002604

L’erreur réelle est plus petite : |f(0,5) − P₅(0,5)| = 0,001827.

5.Analyse à plusieurs variables

Réponse: Duf = −99

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.

Gradient au point

fx = 5y³ + 4y → fx(−1, 3) = 147
fy = 15xy² + 12y² + 4x → fy(−1, 3) = −31

Vecteur unitaire

|v| = √((−4)² + (−3)²) = 5
u = (−0,8, −0,6)

Produit scalaire

Duf = 147·(−0,8) + (−31)·(−0,6) = −99

Réponse

Duf = −99
6.Analyse à plusieurs variables

Réponse: fmin = −32

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).

Points critiques

Résolvez fx = 0 et fy = 0 ensemble.

fx = 4x³ − 16y = 0
fy = 4y³ − 16x = 0
(0, 0), (2, 2), (−2, −2)

Test des dérivées secondes

(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = −16, D = −256 → point selle
(2, 2): fxx = 48, fyy = 48, fxy = −16, D = 2048 → minimum local
(−2, −2): fxx = 48, fyy = 48, fxy = −16, D = 2048 → minimum local

Valeur à l’extremum

f(2, 2) = −32

Réponse

fmin = −32
7.Équations différentielles

Réponse: k = 0,09933 min⁻¹

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.

Rapport des écarts de température

e−10k = -10/-27

Résoudre pour k

k = ln(-27/-10)/10 = 0,09933 min⁻¹

Réponse

k = 0,09933 min⁻¹
8.Équations différentielles

Réponse: t = 102,2 min

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.

Résultat

m(t) = 250 + (−245)·e−t/200

Résoudre pour t

e−t/200 = (250 − 103)/(250 − 5) = 0,6
t = 200·ln(1,667) = 102,2 min

Réponse

t = 102,2 min

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