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 3 °C est sortie du réfrigérateur dans une pièce à 24 °C. Au bout de 8 min, sa température est de 10 °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 = 3 °CTa = 24 °CT(8) = 10 °CT = 20 °C
t = min
2.Équations différentiellesDifficile
Une cuve contient 1000 L d’eau pure. De la saumure contenant 0,25 kg de sel par litre entre à 4 L/min, et la solution bien mélangée sort au même débit. Quelle quantité de sel m la cuve contient-elle au bout de 25 min ?
V = 1000 Lm0 = 0 kgc = 0,25 kg/Lr = 4 L/min
m = kg
3.IntégralesMoyen
Calcule I = ∫01 2x·(x² + 1)2 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)2[0, 1]
I =
4.IntégralesDifficile
Calculez I = ∫₀1 x²·eˣ dx.
∫₀1 x²eˣ dx
I =
5.DérivéesMoyen
Soit f(x) = (3x + 3)3. Calcule f′(0).
f(x) = (3x + 3)3x = 0
f′(0) =
6.DérivéesDifficile
La tangente à f(x) = 0,5x2 − 5x en x = −2 coupe l'axe des y en y = b. Trouve b.
f(x) = 0,5x2 − 5xx = −2
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 de Simpson.
h = 2 sn = 4
s = m
8.Méthodes numériquesDifficile
Faites un pas de la méthode de Runge–Kutta classique (RK4) avec h = 0,5 pour y′ = e−ty, y(0) = 1. Trouvez y₁ ≈ y(0,5).
y′ = e−tyy(0) = 1h = 0,5
y1 =
3Solutions
1.Équations différentielles
Réponse: t = 32,72 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(-21/-14)/8 = 0,05068 min⁻¹
Temps pour atteindre la valeur visée
t = ln(-21/(−4))/0,05068 = 32,72 min
Réponse
t = 32,72 min
2.Équations différentielles
Réponse: m = 23,79 kg
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.
Mettre en équation
dm/dt = 4·0,25 − (4/1000)·m = 1 − 0,004·m
Résoudre
Le facteur intégrant est ert/V ; la solution tend vers l’équilibre c·V.
m(t) = 250 + (−250)·e−t/250
Remplacer t
m(25) = 250 + (−250)·0,9048 = 23,79 kg
Réponse
m = 23,79 kg
3.Intégrales
Réponse: I = 2,333
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 = ∫12 u2 du
Intégrer et évaluer
I = [u3/3]12 = (8 − 1)/3 = 2,333
Réponse
I = 2,333
4.Intégrales
Réponse: I = 0,7183
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.
Première étape
∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx
Deuxième étape
∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)
Limites
2,718·(1) − 1·2 = 0,7183
Réponse
I = 0,7183
5.Dérivées
Réponse: f′(0) = 81
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
f′(x) = 3·(3x + 3)2·3
Remplacer
f′(0) = 3·32·3 = 81
Réponse
f′(0) = 81
6.Dérivées
Réponse: b = −2
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(−2) = 12
f′(x) = x − 5 → f′(−2) = −7
Tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 12 − (−7)·(−2) = −2
Réponse
b = −2
7.Méthodes numériques
Réponse: s = 114,7 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
10 + 4·10 + 2·13 + 4·19 + 20 = 172
Méthode de Simpson
s = (2/3)·172 = 114,7 m
Réponse
s = 114,7 m
8.Méthodes numériques
Réponse: y1 = 1,371
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.