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
Résolvez y″ + 7y′ + 12y = 0 avec y(0) = 1 et y′(0) = -2. Trouvez y(1).
y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 1y′(0) = -2
y(1) =
2.Équations différentiellesDifficile
Un système obéit à y″ + 2y′ + 5y = 25 pour t ≥ 0, à partir du repos : y(0) = 0, y′(0) = 0. Trouvez y(1) ; angles en radians.
y″ + 2y′ + 5y = 25y(0) = 0y′(0) = 0
y(1) =
3.IntégralesMoyen
Calcule I = ∫15 4/x dx.
f(x) = 4/x[1, 5]
I =
4.IntégralesDifficile
Calcule l'aire A du domaine délimité par y = 2x2 et y = 4x.
y = 2x2y = 4x
A =
5.DérivéesMoyen
Soit f(x) = ln(2x2 + 2). Calcule f′(2).
f(x) = ln(2x2 + 2)x = 2
f′(2) =
6.DérivéesDifficile
Soit f(x) = x3 + 9x2 + 24x − 1. Trouve l'abscisse x du maximum local.
f(x) = x3 + 9x2 + 24x − 1
x =
7.Méthodes numériquesMoyen
Approchez ∫02 eˣ dx par la méthode des trapèzes, n = 2, et comparez avec la valeur exacte. Trouvez l’erreur absolue |E| = |T − I|.
f(x) = eˣ[a, b] = [0, 2]n = 2
|E| =
8.Méthodes numériquesDifficile
Faites un pas de la méthode de Runge–Kutta classique (RK4) avec h = 0,5 pour y′ = t² + y², y(0) = 0,5. Trouvez y₁ ≈ y(0,5).
y′ = t² + y²y(0) = 0,5h = 0,5
y1 =
3Solutions
1.Équations différentielles
Réponse: y(1) = 0,08126
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.
Racines caractéristiques
(r + 3)(r + 4) = 0 → r = −3, −4
Constantes à partir des valeurs initiales
A + B = 1, −3A − 4B = -2
A = 2, B = −1
Évaluer
y(1) = 2·e−3 + (−1)·e−4 = 0,08126
Réponse
y(1) = 0,08126
2.Équations différentielles
Réponse: y(1) = 4,929
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 = 5, r = −1 ± 2j
Constantes à partir des valeurs initiales
y(0) = 5 + A = 0 → A = −5
y′(0) = −1A + 2B = 0 → B = −2,5
Évaluer
y(1) = 5·(1 − e−1(cos 2 + 0,5·sin 2)) = 4,929
Réponse
y(1) = 4,929
3.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 5 − ln 1) = 4·ln 5 = 6,438
Réponse
I = 6,438
4.Intégrales
Réponse: A = 2,667
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
2x2 = 4x → x = 0, x = 2
Intégrer la haute moins la basse
A = [2x2 − 0,6667x3]02 = 2,667
Réponse
A = 2,667
5.Dérivées
Réponse: f′(2) = 0,8
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) = 4x/(2x2 + 2)
Remplacer
f′(2) = 8/10 = 0,8
Réponse
f′(2) = 0,8
6.Dérivées
Réponse: x = −4
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 + 18x + 24 = 3·(x2 + 6x + 8)
Résoudre f′(x) = 0
x = −4 ou x = −2
Lequel est lequel
f″(x) = 6x + 18 : négative en un maximum, positive en un minimum.
f″(−4) = −6, f″(−2) = 6
x = −4
Réponse
x = −4
7.Méthodes numériques
Réponse: |E| = 0,5238
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.
Valeur exacte
I = 6,389056
Méthode des trapèzes
T = (1/2)·(1 + 2·2,718282 + 7,389056) = 6,91281
Erreur
|E| = |6,91281 − 6,389056| = 0,5238
Réponse
|E| = 0,5238
Erreur relative : 8,198 %.
8.Méthodes numériques
Réponse: y1 = 0,716
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.