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′ + 5y = 0 avec y(0) = 4 et y′(0) = 4. Trouvez y(2).
y″ + 6y′ + 5y = 0y(0) = 4y′(0) = 4
y(2) =
2.Équations différentiellesDifficile
Résolvez le problème de Cauchy y′ + y/x = 4x2 pour x > 0, avec y(1) = 5. Trouvez y(3).
y′ + y/x = 4x2y(1) = 5
y(3) =
3.IntégralesMoyen
Calcule I = ∫01 2x·(x² + 1)2 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)2[0, 1]
I =
4.IntégralesDifficile
Calculez I = ∫₀1,5 x²·eˣ dx.
∫₀1,5 x²eˣ dx
I =
5.DérivéesMoyen
Soit f(x) = (4x − 1)5. Calcule f′(2).
f(x) = (4x − 1)5x = 2
f′(2) =
6.DérivéesDifficile
La tangente à f(x) = x2 − x − 2 en x = 3 coupe l'axe des y en y = b. Trouve b.
f(x) = x2 − x − 2x = 3
b =
7.Méthodes numériquesMoyen
Approchez ∫01 1/√(1 + x⁴) dx par la méthode des trapèzes avec n = 2 bandes. Donnez T.
f(x) = 1/√(1 + x⁴)[a, b] = [0, 1]n = 2
T =
8.Méthodes numériquesDifficile
Utilisez la méthode de Heun (Euler amélioré) avec h = 0,2 pour y′ = cos t − y, y(0) = 2 afin d’estimer y3 ≈ y(0,6).
y′ = cos t − yy(0) = 2h = 0,2
y3 =
3Solutions
1.Équations différentielles
Réponse: y(2) = 0,8119
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 + 1)(r + 5) = 0 → r = −1, −5
Constantes à partir des valeurs initiales
A + B = 4, −1A − 5B = 4
A = 6, B = −2
Évaluer
y(2) = 6·e−2 + (−2)·e−10 = 0,8119
Réponse
y(2) = 0,8119
2.Équations différentielles
Réponse: y(3) = 28,33
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.
Facteur intégrant
μ = e∫1/x dx = x1
Intégrer
(x1y)′ = 4x3 → x1y = 4x4/4 + C
Condition initiale
5 = 4/4 + C → C = 4
Évaluer
y(3) = (4·34/4 + 4)/31 = 28,33
Réponse
y(3) = 28,33
3.Intégrales
Réponse: I = 2,333
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.
Changement de variable
u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫12 u2 du
Intégrer et évaluer
I = [u3/3]12 = (8 − 1)/3 = 2,333
Réponse
I = 2,333
4.Intégrales
Réponse: I = 3,602
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
4,482·(1,25) − 1·2 = 3,602
Réponse
I = 3,602
5.Dérivées
Réponse: f′(2) = 48020
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·(4x − 1)4·4
Remplacer
f′(2) = 5·74·4 = 48020
Réponse
f′(2) = 48020
6.Dérivées
Réponse: b = −11
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) = 4
f′(x) = 2x − 1 → f′(3) = 5
Tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 4 − 5·3 = −11
Réponse
b = −11
7.Méthodes numériques
Réponse: T = 0,9118
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 = 0,5
Σ wᵢfᵢ = 1 + 2·0,970143 + 0,707107 = 3,647392
Méthode des trapèzes
T = (0,5/2)·3,647392 = 0,9118
Réponse
T = 0,9118
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 = 1,518
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.