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 tasse de café à 95 °C est laissée dans une pièce à 19 °C. Au bout de 14 min, sa température est de 48 °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 35 °C ?
T0 = 95 °CTa = 19 °CT(14) = 48 °CT = 35 °C
t = min
2.Équations différentiellesDifficile
Résolvez y″ + 2y′ + 26y = 0 avec y(0) = 1 et y′(0) = 0 (lâché sans vitesse initiale). Trouvez y(1,5) ; angles en radians.
y″ + 2y′ + 26y = 0y(0) = 1y′(0) = 0
y(1.5) =
3.IntégralesMoyen
Calcule I = ∫02 ex dx.
f(x) = ex[0, 2]
I =
4.IntégralesDifficile
Calcule l'aire A du domaine délimité par y = x2 et y = 2x.
y = x2y = 2x
A =
5.DérivéesMoyen
Soit f(x) = (3x − 1)5. Calcule f′(−1).
f(x) = (3x − 1)5x = −1
f′(−1) =
6.DérivéesDifficile
La tangente à f(x) = x2 − 3x + 5 en x = 1 coupe l'axe des y en y = b. Trouve b.
f(x) = x2 − 3x + 5x = 1
b =
7.Méthodes numériquesMoyen
Approchez ∫01,5 1/(1 + x³) dx par la méthode des trapèzes avec n = 4 bandes. Donnez T.
f(x) = 1/(1 + x³)[a, b] = [0, 1,5]n = 4
T =
8.Méthodes numériquesDifficile
Utilisez la méthode de Heun (Euler amélioré) avec h = 0,25 pour y′ = e−ty, y(0) = 0,5 afin d’estimer y3 ≈ y(0,75).
y′ = e−tyy(0) = 0,5h = 0,25
y3 =
3Solutions
1.Équations différentielles
Réponse: t = 22,64 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(76/29)/14 = 0,06882 min⁻¹
Temps pour atteindre la valeur visée
t = ln(76/16)/0,06882 = 22,64 min
Réponse
t = 22,64 min
2.Équations différentielles
Réponse: y(1.5) = 0,1192
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 ± 5j
Constantes
A = 1, B = 1·1/5 = 0,2
Évaluer
y(1,5) = e−1,5(1·cos 7,5 + 0,2·sin 7,5) = 0,1192
Réponse
y(1,5) = 0,1192
3.Intégrales
Réponse: I = 6,389
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) = ex/1
Évaluer aux bornes
I = (e2 − 1)/1 = (7,389 − 1)/1 = 6,389
Réponse
I = 6,389
4.Intégrales
Réponse: A = 1,333
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.
Points d'intersection
x2 = 2x → x = 0, x = 2
Intégrer la haute moins la basse
A = [x2 − 0,3333x3]02 = 1,333
Réponse
A = 1,333
5.Dérivées
Réponse: f′(−1) = 3840
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) = 5·(3x − 1)4·3
Remplacer
f′(−1) = 5·(−4)4·3 = 3840
Réponse
f′(−1) = 3840
6.Dérivées
Réponse: b = 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.
Point et pente
f(1) = 3
f′(x) = 2x − 3 → f′(1) = −1
Tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 3 − (−1)·1 = 4
Réponse
b = 4
7.Méthodes numériques
Réponse: T = 1,005
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.
Cette intégrale n’a pas de primitive élémentaire, ce qui est exactement le cas où une méthode numérique est nécessaire.
8.Méthodes numériques
Réponse: y3 = 1,046
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.