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 pièce d’acier forgé à 320 °C refroidit dans un atelier à 21 °C. Au bout de 34 min, sa température est de 172 °C. Elle suit la loi de refroidissement de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Trouvez la constante k en min⁻¹.
T0 = 320 °CTa = 21 °CT(34) = 172 °C
k = min⁻¹
2.Équations différentiellesDifficile
Résolvez y″ + 3y′ + 18,25y = 0 avec y(0) = 3 et y′(0) = 0 (lâché sans vitesse initiale). Trouvez y(0,5) ; angles en radians.
y″ + 3y′ + 18,25y = 0y(0) = 3y′(0) = 0
y(0.5) =
3.IntégralesMoyen
La région sous y = √(x) de x = 0 à x = 1 tourne autour de l’axe des x. Trouvez le volume V du solide (un paraboloïde).
y = √(x)0 ≤ x ≤ 1
V =
4.IntégralesDifficile
Calculez I = ∫₀0,5 x²·eˣ dx.
∫₀0,5 x²eˣ dx
I =
5.DérivéesMoyen
Soit f(x) = x3·e2x. Calcule f′(2).
f(x) = x3·e2xx = 2
f′(2) =
6.DérivéesDifficile
La tangente à f(x) = 0,5x2 + 2x + 6 en x = 2 coupe l'axe des y en y = b. Trouve b.
f(x) = 0,5x2 + 2x + 6x = 2
b =
7.Méthodes numériquesMoyen
Approchez ∫03 √x·e−x dx par la méthode des trapèzes avec n = 2 bandes. Donnez T.
f(x) = √x·e−x[a, b] = [0, 3]n = 2
T =
8.Méthodes numériquesDifficile
Faites un pas de la méthode de Runge–Kutta classique (RK4) avec h = 0,1 pour y′ = t² + y², y(0) = 0,5. Trouvez y₁ ≈ y(0,1).
y′ = t² + y²y(0) = 0,5h = 0,1
y1 =
3Solutions
1.Équations différentielles
Réponse: k = 0,02009 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−34k = 151/299
Résoudre pour k
k = ln(299/151)/34 = 0,02009 min⁻¹
Réponse
k = 0,02009 min⁻¹
2.Équations différentielles
Réponse: y(0.5) = −0,1065
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 = 3, B = 1,5·3/4 = 1,125
Évaluer
y(0,5) = e−0,75(3·cos 2 + 1,125·sin 2) = −0,1065
Réponse
y(0,5) = −0,1065
3.Intégrales
Réponse: V = 1,571
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.
Méthode des disques
V = π∫₀1 x dx
Intégrer
V = π·1·1²/2 = 1,571
Réponse
V = 1,571
4.Intégrales
Réponse: I = 0,0609
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
1,649·(1,25) − 1·2 = 0,0609
Réponse
I = 0,0609
5.Dérivées
Réponse: f′(2) = 1529
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
f′(x) = u′v + uv′ = e2x·(3x2 + 2·x3)
Remplacer
f′(2) = 54,6·(12 + 16) = 1529
Réponse
f′(2) = 1529
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(2) = 12
f′(x) = x + 2 → f′(2) = 4
Tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 12 − 4·2 = 4
Réponse
b = 4
7.Méthodes numériques
Réponse: T = 0,4746
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.
Nœuds et valeurs
h = 1,5
Σ wᵢfᵢ = 0 + 2·0,273278 + 0,0862337 = 0,632789
Méthode des trapèzes
T = (1,5/2)·0,632789 = 0,4746
Réponse
T = 0,4746
Cette intégrale n’a pas de primitive élémentaire, ce qui est exactement le cas où une méthode numérique est nécessaire.
8.Méthodes numériques
Réponse: y1 = 0,5267
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.