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 6 °C est sortie du réfrigérateur dans une pièce à 22 °C. Au bout de 15 min, sa température est de 16 °C. Elle suit la loi de refroidissement de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Trouvez la constante k en min⁻¹.
T0 = 6 °CTa = 22 °CT(15) = 16 °C
k = min⁻¹
2.Équations différentiellesDifficile
Un système obéit à y″ + y′ + 9,25y = 9,25 pour t ≥ 0, à partir du repos : y(0) = 0, y′(0) = 0. Trouvez la valeur de pic ymax de sa réponse indicielle.
y″ + y′ + 9,25y = 9,25y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntégralesMoyen
Calculez I = ∫₁3 x·ln x dx.
∫₁3 x ln x dx
I =
4.IntégralesDifficile
La région entre la droite y = 5x et la parabole y = 2x² tourne autour de l’axe des x. Trouvez le volume V du solide.
y = 5xy = 2x²
V =
5.DérivéesMoyen
Soit f(x) = (4x + 3)4. Calcule f′(−1).
f(x) = (4x + 3)4x = −1
f′(−1) =
6.DérivéesDifficile
Soit f(x) = x3 − 10,5x2 + 36x − 1. Trouve l'abscisse x du maximum local.
f(x) = x3 − 10,5x2 + 36x − 1
x =
7.Méthodes numériquesMoyen
La vitesse d’un véhicule est mesurée toutes les 5 s (tableau). Estimez la distance s parcourue de t = 0 à t = 20 s avec la méthode de Simpson.
h = 5 sn = 4
s = m
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: k = 0,06539 min⁻¹
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.
Rapport des écarts de température
e−15k = -6/-16
Résoudre pour k
k = ln(-16/-6)/15 = 0,06539 min⁻¹
Réponse
k = 0,06539 min⁻¹
2.Équations différentielles
Réponse: ymax = 1,592
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 = 1, r = −0,5 ± 3j
Constantes à partir des valeurs initiales
y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −0,5A + 3B = 0 → B = −0,1667
Pic
t = π/3 = 1,047
ymax = 1·(1 + e−0,5·π/3) = 1,592
Réponse
ymax = 1,592
3.Intégrales
Réponse: I = 2,944
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
(4,5·ln 3 − 2,25) − (0 − 0,25) = 2,944
Réponse
I = 2,944
4.Intégrales
Réponse: V = 163,6
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
5x = 2x² → x = 0, x = 2,5
Méthode des rondelles
V = π∫₀2,5 ((5x)² − (2x²)²) dx
Intégrer
V = π(25·2,5³/3 − 4·2,5⁵/5) = π·52,08 = 163,6
Réponse
V = 163,6
5.Dérivées
Réponse: f′(−1) = −16
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) = 4·(4x + 3)3·4
Remplacer
f′(−1) = 4·(−1)3·4 = −16
Réponse
f′(−1) = −16
6.Dérivées
Réponse: x = 3
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 − 21x + 36 = 3·(x2 − 7x + 12)
Résoudre f′(x) = 0
x = 3 ou x = 4
Lequel est lequel
f″(x) = 6x − 21 : négative en un maximum, positive en un minimum.
f″(3) = −3, f″(4) = 3
x = 3
Réponse
x = 3
7.Méthodes numériques
Réponse: s = 76,67 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
7 + 4·5 + 2·3 + 4·2 + 5 = 46
Méthode de Simpson
s = (5/3)·46 = 76,67 m
Réponse
s = 76,67 m
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.