Pour une racine : vérifiez le changement de signe pour la dichotomie, ou calculez f et f′ pour Newton, et gardez six chiffres ou plus dans un tableau d’itérés.
Pour une valeur de tableau : interpolez linéairement entre les deux points voisins.
Pour une intégrale : trouvez h = (b − a)/n, listez f en chaque nœud, appliquez les poids (1, 2, …, 2, 1 pour les trapèzes ; 1, 4, 2, …, 4, 1 pour Simpson avec n pair) et multipliez par h/2 ou h/3.
Pour une équation différentielle : avance depuis t₀ avec yₙ₊₁ = yₙ + h·f(tₙ, yₙ) (Euler) ou la pente moyenne (Heun), une ligne par pas, jusqu’à atteindre le t demandé.
2Exercices
1.Équations différentiellesMoyen
Une pièce d’acier forgé à 320 °C refroidit dans un atelier à 25 °C. Elle suit la loi de refroidissement de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Avec k = 0,05 min⁻¹, trouvez sa température T au bout de 26 min.
T0 = 320 °CTa = 25 °Ck = 0,05 min⁻¹t = 26 min
T = °C
2.Équations différentiellesDifficile
Un système obéit à y″ + 4y′ + 20y = 40 pour t ≥ 0, à partir du repos : y(0) = 0, y′(0) = 0. Trouvez y(1) ; angles en radians.
y″ + 4y′ + 20y = 40y(0) = 0y′(0) = 0
y(1) =
3.IntégralesMoyen
Calcule I = ∫02 e−0,5x dx.
f(x) = e−0,5x[0, 2]
I =
4.IntégralesDifficile
Calcule l'aire A du domaine délimité par y = x2 et y = 2x.
y = x2y = 2x
A =
5.DérivéesMoyen
Soit f(x) = x2·e−0,5x. Calcule f′(2).
f(x) = x2·e−0,5xx = 2
f′(2) =
6.DérivéesDifficile
Soit f(x) = x3 − 3x. Trouve l'abscisse x du minimum local.
f(x) = x3 − 3x
x =
7.Méthodes numériquesMoyen
La vitesse d’un véhicule est mesurée toutes les 10 s (tableau). Estimez la distance s parcourue de t = 0 à t = 60 s avec la méthode de Simpson.
h = 10 sn = 6
s = m
8.Méthodes numériquesDifficile
Utilisez la méthode d’Euler avec h = 0,1 pour y′ = cos t − y, y(0) = 0,5 afin d’estimer y4 ≈ y(0,4).
y′ = cos t − yy(0) = 0,5h = 0,1
y4 =
3Solutions
1.Équations différentielles
Réponse: T = 105,4 °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) = 25 + 295·e−0,05t
Remplacer t
T(26) = 25 + 295·0,2725 = 105,4 °C
Réponse
T = 105,4 °C
2.Équations différentielles
Réponse: y(1) = 2,279
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 = 2, r = −2 ± 4j
Constantes à partir des valeurs initiales
y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −2A + 4B = 0 → B = −1
Évaluer
y(1) = 2·(1 − e−2(cos 4 + 0,5·sin 4)) = 2,279
Réponse
y(1) = 2,279
3.Intégrales
Réponse: I = 1,264
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.
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.
Points d'intersection
x2 = 2x → x = 0, x = 2
Intégrer la haute moins la basse
A = [x2 − 0,3333x3]02 = 1,333
Réponse
A = 1,333
5.Dérivées
Réponse: f′(2) = 0,7358
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.
Règle du produit
f′(x) = u′v + uv′ = e−0,5x·(2x + (−0,5)·x2)
Remplacer
f′(2) = 0,3679·(4 + (−2)) = 0,7358
Réponse
f′(2) = 0,7358
6.Dérivées
Réponse: x = 1
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.
Dérivée
f′(x) = 3x2 − 3 = 3·(x2 − 1)
Résoudre f′(x) = 0
x = −1 ou x = 1
Lequel est lequel
f″(x) = 6x : négative en un maximum, positive en un minimum.
f″(−1) = −6, f″(1) = 6
x = 1
Réponse
x = 1
7.Méthodes numériques
Réponse: s = 690 m
Intégration numérique : découpe [a, b] en n bandes de largeur h = (b − a)/n avec les nœuds x₀ … xₙ. Méthode des trapèzes : T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2fn−1 + fₙ]. Méthode de Simpson (n pair) : S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4fn−1 + fₙ]. L’erreur des trapèzes décroît comme h² (majoration (b − a)h²·M/12 avec M = max|f″|), celle de Simpson comme h⁴, donc Simpson est en général bien plus précise pour les mêmes nœuds.
Somme pondérée
6 + 4·7 + 2·11 + 4·9 + 2·12 + 4·17 + 23 = 207
Méthode de Simpson
s = (10/3)·207 = 690 m
Réponse
s = 690 m
8.Méthodes numériques
Réponse: y4 = 0,6653
Résolution numérique de y′ = f(t, y) : la méthode d’Euler avance selon la pente au début de chaque pas : yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ). La méthode de Heun (Euler amélioré) moyenne la pente au début et à une prédiction d’Euler : k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂). La méthode de Runge–Kutta classique (RK4) combine quatre pentes : yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄). L’erreur globale d’Euler est proportionnelle à h, celle de Heun à h², celle de RK4 à h⁴.