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 canette de soda à 5 °C est sortie du réfrigérateur dans une pièce à 25 °C. Au bout de 29 min, sa température est de 17 °C. Elle suit la loi de refroidissement de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Combien de temps après le début, t, lui faut-il pour atteindre 20 °C ?
T0 = 5 °CTa = 25 °CT(29) = 17 °CT = 20 °C
t = min
2.Équations différentiellesDifficile
Résolvez le problème de Cauchy y′ + 2y/x = 3x pour x > 0, avec y(1) = 2. Trouvez y(3).
y′ + 2y/x = 3xy(1) = 2
y(3) =
3.IntégralesMoyen
Calculez I = ∫₁6 x·ln x dx.
∫₁6 x ln x dx
I =
4.IntégralesDifficile
Calcule l'aire A du domaine entre la parabole y = 9 − x² et l'axe des x.
y = 9 − x²
A =
5.DérivéesMoyen
Soit f(x) = ln(x2 + 4). Calcule f′(−2).
f(x) = ln(x2 + 4)x = −2
f′(−2) =
6.DérivéesDifficile
La tangente à f(x) = x2 + 5x en x = −1 coupe l'axe des y en y = b. Trouve b.
f(x) = x2 + 5xx = −1
b =
7.Méthodes numériquesMoyen
La vitesse d’un véhicule est mesurée toutes les 2 s (tableau). Estimez la distance s parcourue de t = 0 à t = 8 s avec la méthode des trapèzes.
h = 2 sn = 4
s = m
8.Méthodes numériquesDifficile
Résolvez y′ = 2y, y(0) = 3 avec la méthode d’Euler et le pas h = 0,25 jusqu’à t = 1,25. La solution exacte est y = y₀e2t. Trouvez l’erreur globale |E| = |y(1,25) − y5|.
y′ = 2yy(0) = 3h = 0,25
|E| =
3Solutions
1.Équations différentielles
Réponse: t = 43,88 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.
Constante de refroidissement
k = ln(-20/-8)/29 = 0,0316 min⁻¹
Temps pour atteindre la valeur visée
t = ln(-20/(−5))/0,0316 = 43,88 min
Réponse
t = 43,88 min
2.Équations différentielles
Réponse: y(3) = 6,889
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.
Facteur intégrant
μ = e∫2/x dx = x2
Intégrer
(x2y)′ = 3x3 → x2y = 3x4/4 + C
Condition initiale
2 = 3/4 + C → C = 1,25
Évaluer
y(3) = (3·34/4 + 1,25)/32 = 6,889
Réponse
y(3) = 6,889
3.Intégrales
Réponse: I = 23,5
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
(18·ln 6 − 9) − (0 − 0,25) = 23,5
Réponse
I = 23,5
4.Intégrales
Réponse: A = 36
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
9 − x² = 0 → x = ±3
Intégrer
A = [9x − x³/3]−33 = 18 − (−18) = 36
Réponse
A = 36
5.Dérivées
Réponse: f′(−2) = −0,5
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.
Dérivation en chaîne du logarithme
f′(x) = 2x/(x2 + 4)
Remplacer
f′(−2) = −4/8 = −0,5
Réponse
f′(−2) = −0,5
6.Dérivées
Réponse: b = −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.
Point et pente
f(−1) = −4
f′(x) = 2x + 5 → f′(−1) = 3
Tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −4 − 3·(−1) = −1
Réponse
b = −1
7.Méthodes numériques
Réponse: s = 65 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
4 + 2·7 + 2·6 + 2·11 + 13 = 65
Méthode des trapèzes
s = (2/2)·65 = 65 m
Réponse
s = 65 m
8.Méthodes numériques
Réponse: |E| = 13,77
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.
Pas d’Euler
y5 = 22,78125
Valeur exacte
y(1,25) = 36,547482
Erreur globale
|E| = |36,547482 − 22,78125| = 13,77
Graphique
Réponse
|E| = 13,77
Diviser h par deux divise à peu près par deux l’erreur de la méthode d’Euler.