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: ∫_a^b 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: ∫_a^b (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 e^x, 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 |a_k+1/a_k|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Rayon de convergence: R = lim |c_k/c_k+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: f_x = ∂f/∂x (y constant), f_xy = f_yx
Gradient: ∇f = (f_x, f_y), largest slope |∇f|
Dérivée directionnelle: D_uf = ∇f·u, u = v/|v|
Plan tangent: z = f(a, b) + f_x(x − a) + f_y(y − b)
Dérivation en chaîne: dz/dt = f_x·dx/dt + f_y·dy/dt
Test des dérivées secondes: D = f_xxf_yy − f_xy²: D > 0, f_xx > 0 minimum; D > 0, f_xx < 0 maximum; D < 0 saddle
Intégrale double: ∬_R f dA = ∫_a^b∫_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 = (f_x, f_y) au point ; utilisez |∇f| pour la pente maximale et ∇f·u avec un vecteur unitaire u pour une dérivée directionnelle.
Pour les extremums, résolvez f_x = 0 et f_y = 0 ensemble, puis classez chaque point avec D = f_xx·f_yy − f_xy².
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 = y₀e^kt
Demi-vie: k = ln 2 / t_½
Loi de refroidissement de Newton: T(t) = T_a + (T₀ − T_a)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

Calcule I = ∫₀² 2x·(x² + 1)² dx.

f(x) = 2x·(x² + 1)²[0, 2]

I =

2.IntégralesDifficile

Calcule l'aire A du domaine délimité par y = 2x² et y = x.

y = 2x²y = x

A =

3.Suites et sériesMoyen

Trouvez la somme S = Σ_k=1⁴⁰ 6/(k(k + 1)).

a_k = 6/(k(k + 1))n = 40

S =

4.Suites et sériesDifficile

f(x) = cos x est approchée en x = 2 par son polynôme de Maclaurin de degré n. Avec la majoration de Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! et M = 1, trouvez le plus petit degré n qui garantit une erreur inférieure à 1 × 10⁻⁵.

f(x) = cos xx = 2M = 1ε = 1 × 10⁻⁵

n =

5.Analyse à plusieurs variablesMoyen

Pour f(x, y) = 2x³e^−y, trouvez le taux de variation maximal de f au point (1, 0,5), c’est-à-dire |∇f|.

f(x, y) = 2x³e^−yP = (1, 0,5)

|∇f| =

6.Analyse à plusieurs variablesDifficile

L’intégrale I = ∫₀^1,2 ∫_x^1,2 sin(y²) dy dx ne peut pas se calculer dans cet ordre. Inversez l’ordre d’intégration et calculez-la.

f = sin(y²)0 ≤ x ≤ y ≤ 1,2

I =

7.Équations différentiellesMoyen

Une pièce d’acier forgé à 420 °C refroidit dans un atelier à 25 °C. Elle suit la loi de refroidissement de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Avec k = 0,01 min⁻¹, trouvez sa température T au bout de 32 min.

T₀ = 420 °CT_a = 25 °Ck = 0,01 min⁻¹t = 32 min

T = °C

8.Équations différentiellesDifficile

Résolvez y′ + y = 8e^−0,5t avec y(0) = 4. Trouvez y(0,5).

y′ + y = 8e^−0,5ty(0) = 4

y(0.5) =

3Solutions

1.Intégrales

Réponse: I = 41,33

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 = ∫₁⁵ u² du

Intégrer et évaluer

I = [u³/3]₁⁵ = (125 − 1)/3 = 41,33

Réponse

I = 41,33

2.Intégrales

Réponse: A = 0,04167

Points d'intersection

2x² = x → x = 0, x = 0,5

Intégrer la haute moins la basse

A = [0,5x² − 0,6667x³]₀^0,5 = 0,04167

Réponse

A = 0,04167

3.Suites et séries

Réponse: S = 5,854

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 |a_k+1/a_k| ; test de la racine : L = lim |a_k|^1/k. L < 1 converge, L > 1 diverge, L = 1 ne décide rien. Une série entière Σc_k(x − x₀)ᵏ converge pour |x − x₀| < R avec R = lim |c_k/c_k+1| ; une série alternée dont les termes décroissent vers 0 converge.

Décomposition en éléments simples

6/(k(k + 1)) = 6·(1/k − 1/(k + 1))

Annuler

S = 6·(1 − 1/41) = 5,854

Réponse

S = 5,854

4.Suites et séries

Réponse: n = 11

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.

Majorations pour n croissant

n = 10: 5,131 × 10⁻⁵ ≥ 1 × 10⁻⁵

n = 11: 8,551 × 10⁻⁶ < 1 × 10⁻⁵

Plus petit degré

n = 11

Réponse

n = 11

5.Analyse à plusieurs variables

Réponse: |∇f| = 3,836

Gradient : ∇f = (f_x, f_y) 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 D_uf = ∇f·u avec le vecteur unitaire u = v/|v|. Le plan tangent en (a, b) est z = f(a, b) + f_x(a, b)(x − a) + f_y(a, b)(y − b) ; il donne l’approximation linéaire de f près de ce point. Dérivation en chaîne : dz/dt = f_x·dx/dt + f_y·dy/dt.

Dérivées partielles

f_x = 6x²e^−y → f_x(1, 0,5) = 3,639

f_y = −2x³e^−y → f_y(1, 0,5) = −1,213

Longueur du gradient

|∇f| = √(3,639² + (−1,213)²) = 3,836

Réponse

|∇f| = 3,836

6.Analyse à plusieurs variables

Réponse: I = 0,4348

Points critiques et intégrales doubles : un point critique vérifie f_x = f_y = 0. Test des dérivées secondes avec D = f_xxf_yy − f_xy² : D > 0 et f_xx > 0 est un minimum local, D > 0 et f_xx < 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).

Région

0 ≤ x ≤ y, 0 ≤ y ≤ 1,2

Ordre inversé

I = ∫₀^1,2 ∫₀^y sin(y²) dx dy = ∫₀^1,2 y·sin(y²) dy

Substitution u = y²

I = [−cos(y²)/2]₀^1,2 = 0,4348

Réponse

I = 0,4348

7.Équations différentielles

Réponse: T = 311,8 °C

Équations différentielles du premier ordre : dy/dt = k·y a pour solution y = y₀·e^kt (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) = 25 + 395·e^−0,01t

Remplacer t

T(32) = 25 + 395·0,7261 = 311,8 °C

Réponse

T = 311,8 °C

8.Équations différentielles

Réponse: y(0.5) = 5,182

Facteur intégrant

μ = e^t

(e^ty)′ = 8e^0,5t

Solution générale

y = 8/0,5·e^−0,5t + C·e^−t = 16·e^−0,5t + C·e^−t

Condition initiale

4 = 16 + C → C = −12

Évaluer

y(0,5) = 16·0,7788 + (−12)·0,6065 = 5,182

Réponse

y(0,5) = 5,182

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