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″ + 8y′ + 16y = 0 avec y(0) = 5 et y′(0) = -1. Trouvez y(1,5).
y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 5y′(0) = -1
y(1.5) =
2.Équations différentiellesDifficile
Un système obéit à y″ + 4y′ + 29y = 29 pour t ≥ 0, à partir du repos : y(0) = 0, y′(0) = 0. Trouvez y(0,25) ; angles en radians.
y″ + 4y′ + 29y = 29y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.25) =
3.IntégralesMoyen
Calcule I = ∫01 2x·(x² + 1)2 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)2[0, 1]
I =
4.IntégralesDifficile
La région entre la droite y = 4x et la parabole y = 3x² tourne autour de l’axe des x. Trouvez le volume V du solide.
y = 4xy = 3x²
V =
5.DérivéesMoyen
Soit f(x) = x·sin(x), avec x en radians. Calcule f′(1).
f(x) = x·sin(x)x = 1 rad
f′(1) =
6.DérivéesDifficile
La tangente à f(x) = 0,5x2 − 5x + 2 en x = 1 coupe l'axe des y en y = b. Trouve b.
f(x) = 0,5x2 − 5x + 2x = 1
b =
7.Méthodes numériquesMoyen
La méthode des trapèzes est utilisée pour ∫02 x³ dx. L’erreur est au plus (b − a)³·M/(12n²) avec M = max|f″| sur [0, 2]. Trouvez le plus petit nombre de bandes n qui garantit une erreur inférieure à 0,001.
f(x) = x³[a, b] = [0, 2]ε = 0,001
n =
8.Méthodes numériquesDifficile
Résolvez y′ = t + y, y(0) = 2 avec la méthode d’Euler et le pas h = 0,1 jusqu’à t = 0,5. La solution exacte est y = −t − 1 + (y₀ + 1)eᵗ. Trouvez l’erreur globale |E| = |y(0,5) − y5|.
y′ = t + yy(0) = 2h = 0,1
|E| =
3Solutions
1.Équations différentielles
Réponse: y(1.5) = 0,08304
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.
Racine double
(r + 4)² = 0 → r = −4
Constantes
A = y(0) = 5
y′(0) = B − 4A → B = -1 + 20 = 19
Évaluer
y(1,5) = (5 + 19·1,5)·e−6 = 0,08304
Réponse
y(1,5) = 0,08304
2.Équations différentielles
Réponse: y(0.25) = 0,5785
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.
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: V = 15,89
Volumes de révolution : la rotation autour de l’axe des x de la région sous y = f(x), de x = a à x = b, engendre un solide dont la section en x est un disque de rayon f(x). La somme des disques donne V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Lorsque la région est comprise entre une courbe extérieure R(x) et une courbe intérieure r(x), chaque tranche est une rondelle : V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Élevez les rayons au carré avant de les soustraire.
Points d'intersection
4x = 3x² → x = 0, x = 1,333
Méthode des rondelles
V = π∫₀1,333 ((4x)² − (3x²)²) dx
Intégrer
V = π(16·1,333³/3 − 9·1,333⁵/5) = π·5,057 = 15,89
Réponse
V = 15,89
5.Dérivées
Réponse: f′(1) = 1,382
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 et en chaîne
f′(x) = sin(x) + x·cos(x)
Remplacer
f′(1) = 0,8415 + 1·0,5403 = 1,382
Réponse
f′(1) = 1,382
6.Dérivées
Réponse: b = 1,5
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.
Point et pente
f(1) = −2,5
f′(x) = x − 5 → f′(1) = −4
Tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −2,5 − (−4)·1 = 1,5
Réponse
b = 1,5
7.Méthodes numériques
Réponse: n = 90
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.
Majoration de la dérivée seconde
M = 6·2 = 12
Résoudre pour n
n² > 8·12/(12·0,001) = 8000
n > 89,44 → n = 90
Réponse
n = 90
8.Méthodes numériques
Réponse: |E| = 0,1146
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 = 3,33153
Valeur exacte
y(0,5) = 3,446164
Erreur globale
|E| = |3,446164 − 3,33153| = 0,1146
Graphique
Réponse
|E| = 0,1146
Diviser h par deux divise à peu près par deux l’erreur de la méthode d’Euler.