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
xy210

Calcule I = ∫210 4/x dx.

f(x) = 4/x[2, 10]
I =
2.IntégralesDifficile
xy−22

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

y = 4 − x²
A =
3.Suites et sériesMoyen
AΣ 3ᵏ/k!k = 1 … ∞BΣ (7/4)ᵏk = 1 … ∞CΣ k/(k + 3)k = 1 … ∞DΣ k!/3ᵏk = 1 … ∞

Exactement une des quatre séries converge. Cliquez dessus.

A: Σ 3ᵏ/k!B: Σ (7/4)ᵏC: Σ k/(k + 3)D: Σ k!/3ᵏ
  1. 1A: Σ 3ᵏ/k!
  2. 2B: Σ (7/4)ᵏ
  3. 3C: Σ k/(k + 3)
  4. 4D: Σ k!/3ᵏ
4.Suites et sériesDifficile

Reconnaissez la série et trouvez sa somme : S = Σk=1∞ (−1)k+1/k.

ak = (−1)k+1/k
S =
5.Analyse à plusieurs variablesMoyen
xy32P

Utilisez le plan tangent de f(x, y) = −x³y² + 5x² + 3y² − 3xy en (3, 2) pour approcher f(3,2, 1,8). Donnez l’approximation linéaire L.

f(x, y) = −x³y² + 5x² + 3y² − 3xy(a, b) = (3, 2)(x, y) = (3,2, 1,8)
L =
6.Analyse à plusieurs variablesDifficile
xy−4−202−4−202(−2, −3)

Trouvez les points critiques de f(x, y) = −2x² − xy − y² − 11x − 8y + 2, classez-les, et donnez la valeur fmax de f en son maximum local.

f(x, y) = −2x² − xy − y² − 11x − 8y + 2
fmax =
7.Équations différentiellesMoyen
t (min)T (°C)21Ta​T = ?

Une tasse de café à 82 °C est laissée dans une pièce à 18 °C. Elle suit la loi de refroidissement de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Avec k = 0,09 min⁻¹, trouvez sa température T au bout de 21 min.

T0 = 82 °CTa = 18 °Ck = 0,09 min⁻¹t = 21 min
T = °C
8.Équations différentiellesDifficile
tyK = 10ymax​ = ?

Un système obéit à y″ + y′ + 16,25y = 162,5 pour t ≥ 0, à partir du repos : y(0) = 0, y′(0) = 0. Trouvez la valeur de pic ymax de sa réponse indicielle.

y″ + y′ + 16,25y = 162,5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =

3Solutions

1.Intégrales

Réponse: I = 6,438

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) = 4·ln x

Évaluer aux bornes

I = 4·(ln 10 − ln 2) = 4·ln 5 = 6,438

Réponse

I = 6,438
2.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
3.Suites et séries

Réponse: A: Σ 3ᵏ/k!

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 3ᵏ/k! → Test du rapport : L = lim 3/(k + 1) = 0 < 1, converge.
B: Σ (7/4)ᵏ → Géométrique de raison r = 7/4 > 1 : les termes croissent, donc elle diverge.
C: Σ k/(k + 3) → Les termes tendent vers 1, pas vers 0 : diverge d’après le test du terme général.
D: Σ k!/3ᵏ → Test du rapport : L = lim (k + 1)/3 = ∞, diverge.

La réponse

A: Σ 3ᵏ/k!

Réponse

A: Σ 3ᵏ/k!
4.Suites et séries

Réponse: S = 0,6931

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.

Séries usuelles

Σ (−1)k+1xᵏ/k = ln(1 + x)

Remplacer

x = 1
S = ln 2 = 0,6931

Réponse

S = 0,6931
5.Analyse à plusieurs variables

Réponse: L = −64,8

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.

Valeur et pentes au point

f(3, 2) = −69
fx = −3x²y² + 10x − 3y → fx(3, 2) = −84
fy = −2x³y + 6y − 3x → fy(3, 2) = −105

Plan tangent

z = −69 − 84(x − 3) − 105(y − 2)
z = −84x − 105y + 393

Approximation linéaire

L = −69 + (−84)·0,2 + (−105)·(−0,2) = −64,8

Réponse

L = −64,8

La valeur exacte est f = −62,52832 ; le plan est proche parce que le pas est petit.

6.Analyse à plusieurs variables

Réponse: fmax = 25

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 = −4x − y − 11 = 0
fy = −x − 2y − 8 = 0
(−2, −3)

Test des dérivées secondes

(−2, −3): fxx = −4, fyy = −2, fxy = −1, D = 7 → maximum local

Valeur à l’extremum

f(−2, −3) = 25

Réponse

fmax = 25
7.Équations différentielles

Réponse: T = 27,67 °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) = 18 + 64·e−0,09t

Remplacer t

T(21) = 18 + 64·0,1511 = 27,67 °C

Réponse

T = 27,67 °C
8.Équations différentielles

Réponse: ymax = 16,75

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.

Valeur stationnaire et racines

yss = 10, r = −0,5 ± 4j

Constantes à partir des valeurs initiales

y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −0,5A + 4B = 0 → B = −1,25

Pic

t = π/4 = 0,7854
ymax = 10·(1 + e−0,5·π/4) = 16,75

Réponse

ymax = 16,75

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