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″ + 6y′ + 8y = 0 avec y(0) = 5 et y′(0) = 2. Trouvez y(0,5).
y″ + 6y′ + 8y = 0y(0) = 5y′(0) = 2
y(0.5) =
2.Équations différentiellesDifficile
Résolvez y″ + 3y′ + 18,25y = 0 avec y(0) = 5 et y′(0) = 0 (lâché sans vitesse initiale). Trouvez y(0,25) ; angles en radians.
y″ + 3y′ + 18,25y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(0.25) =
3.IntégralesMoyen
Calcule I = ∫02 2x·(x² + 1)1 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)1[0, 2]
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(3x2 + 4). Calcule f′(3).
f(x) = ln(3x2 + 4)x = 3
f′(3) =
6.DérivéesDifficile
La tangente à f(x) = −x2 + 3x − 2 en x = 3 coupe l'axe des y en y = b. Trouve b.
f(x) = −x2 + 3x − 2x = 3
b =
7.Méthodes numériquesMoyen
Approchez ∫01 x³ dx par la méthode des trapèzes, n = 2, et comparez avec la valeur exacte. Trouvez l’erreur absolue |E| = |T − I|.
f(x) = x³[a, b] = [0, 1]n = 2
|E| =
8.Méthodes numériquesDifficile
Faites un pas de la méthode de Runge–Kutta classique (RK4) avec h = 0,2 pour y′ = t² + y², y(0) = 0,5. Trouvez y₁ ≈ y(0,2).
y′ = t² + y²y(0) = 0,5h = 0,2
y1 =
3Solutions
1.Équations différentielles
Réponse: y(0.5) = 3,235
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 + 2)(r + 4) = 0 → r = −2, −4
Constantes à partir des valeurs initiales
A + B = 5, −2A − 4B = 2
A = 11, B = −6
Évaluer
y(0,5) = 11·e−1 + (−6)·e−2 = 3,235
Réponse
y(0,5) = 3,235
2.Équations différentielles
Réponse: y(0.25) = 2,941
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 complexes
r = −1,5 ± 4j
Constantes
A = 5, B = 1,5·5/4 = 1,875
Évaluer
y(0,25) = e−0,375(5·cos 1 + 1,875·sin 1) = 2,941
Réponse
y(0,25) = 2,941
3.Intégrales
Réponse: I = 12
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 = ∫15 u1 du
Intégrer et évaluer
I = [u2/2]15 = (25 − 1)/2 = 12
Réponse
I = 12
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′(3) = 0,5806
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) = 6x/(3x2 + 4)
Remplacer
f′(3) = 18/31 = 0,5806
Réponse
f′(3) = 0,5806
6.Dérivées
Réponse: b = 7
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(3) = −2
f′(x) = −2x + 3 → f′(3) = −3
Tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −2 − (−3)·3 = 7
Réponse
b = 7
7.Méthodes numériques
Réponse: |E| = 0,0625
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 = 0,25
Méthode des trapèzes
T = (0,5/2)·(0 + 2·0,125 + 1) = 0,3125
Erreur
|E| = |0,3125 − 0,25| = 0,0625
Réponse
|E| = 0,0625
Erreur relative : 25 %.
8.Méthodes numériques
Réponse: y1 = 0,5584
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.