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 4 °C est sortie du réfrigérateur dans une pièce à 29 °C. Elle suit la loi de refroidissement de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Avec k = 0,09 min⁻¹, trouvez sa température T au bout de 6 min.
T0 = 4 °CTa = 29 °Ck = 0,09 min⁻¹t = 6 min
T = °C
2.Équations différentiellesDifficile
Résolvez y″ + y′ + 9,25y = 0 avec y(0) = 10 et y′(0) = 0 (lâché sans vitesse initiale). Trouvez y(0,25) ; angles en radians.
y″ + y′ + 9,25y = 0y(0) = 10y′(0) = 0
y(0.25) =
3.IntégralesMoyen
La région sous y = 0,5x de x = 0 à x = 3 tourne autour de l’axe des x. Trouvez le volume V du solide (un cône).
y = 0,5x0 ≤ x ≤ 3
V =
4.IntégralesDifficile
Calculez I = ∫₀2,5 x²·eˣ dx.
∫₀2,5 x²eˣ dx
I =
5.DérivéesMoyen
Soit f(x) = (3x + 1)3. Calcule f′(1).
f(x) = (3x + 1)3x = 1
f′(1) =
6.DérivéesDifficile
Soit f(x) = x3 − 9x2 + 15x + 6. Trouve l'abscisse x du minimum local.
f(x) = x3 − 9x2 + 15x + 6
x =
7.Méthodes numériquesMoyen
La vitesse d’un véhicule est mesurée toutes les 1 s (tableau). Estimez la distance s parcourue de t = 0 à t = 6 s avec la méthode des trapèzes.
h = 1 sn = 6
s = m
8.Méthodes numériquesDifficile
Utilisez la méthode de Heun (Euler amélioré) avec h = 0,25 pour y′ = e−ty, y(0) = 1 afin d’estimer y3 ≈ y(0,75).
y′ = e−tyy(0) = 1h = 0,25
y3 =
3Solutions
1.Équations différentielles
Réponse: T = 14,43 °C
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.
Solution de la loi de refroidissement
T(t) = 29 + (−25)·e−0,09t
Remplacer t
T(6) = 29 + (−25)·0,5827 = 14,43 °C
Réponse
T = 14,43 °C
2.Équations différentielles
Réponse: y(0.25) = 7,46
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.
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∫₀3 0,25x² dx
Intégrer
V = π·0,25·3³/3 = 7,069
Réponse
V = 7,069
Vérification : un cône de rayon 1,5 et de hauteur 3 a (1/3)πr²h = 7,069.
4.Intégrales
Réponse: I = 37,59
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
12,18·(3,25) − 1·2 = 37,59
Réponse
I = 37,59
5.Dérivées
Réponse: f′(1) = 144
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) = 3·(3x + 1)2·3
Remplacer
f′(1) = 3·42·3 = 144
Réponse
f′(1) = 144
6.Dérivées
Réponse: x = 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.
Dérivée
f′(x) = 3x2 − 18x + 15 = 3·(x2 − 6x + 5)
Résoudre f′(x) = 0
x = 1 ou x = 5
Lequel est lequel
f″(x) = 6x − 18 : négative en un maximum, positive en un minimum.
f″(1) = −12, f″(5) = 12
x = 5
Réponse
x = 5
7.Méthodes numériques
Réponse: s = 64,5 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
3 + 2·3 + 2·8 + 2·9 + 2·13 + 2·18 + 24 = 129
Méthode des trapèzes
s = (1/2)·129 = 64,5 m
Réponse
s = 64,5 m
8.Méthodes numériques
Réponse: y3 = 1,474
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.