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″ + 8y′ + 16y = 0 avec y(0) = 2 et y′(0) = -1. Trouvez y(0,5).
y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 2y′(0) = -1
y(0.5) =
2.Équations différentiellesDifficile
Une cuve contient 400 L d’eau dans laquelle 10 kg de sel sont dissous. De la saumure contenant 0,2 kg de sel par litre entre à 20 L/min, et la solution bien mélangée sort au même débit. Quelle quantité de sel m la cuve contient-elle au bout de 30 min ?
V = 400 Lm0 = 10 kgc = 0,2 kg/Lr = 20 L/min
m = kg
3.IntégralesMoyen
Calcule I = ∫02 e0,5x dx.
f(x) = e0,5x[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) = x·sin(x), avec x en radians. Calcule f′(2).
f(x) = x·sin(x)x = 2 rad
f′(2) =
6.DérivéesDifficile
La tangente à f(x) = 2x2 − x + 1 en x = 1 coupe l'axe des y en y = b. Trouve b.
f(x) = 2x2 − x + 1x = 1
b =
7.Méthodes numériquesMoyen
Approchez ∫02 √x·e−x dx par la méthode des trapèzes avec n = 2 bandes. Donnez T.
f(x) = √x·e−x[a, b] = [0, 2]n = 2
T =
8.Méthodes numériquesDifficile
Utilisez la méthode de Heun (Euler amélioré) avec h = 0,2 pour y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 0,5 afin d’estimer y3 ≈ y(0,6).
y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0,5h = 0,2
y3 =
3Solutions
1.Équations différentielles
Réponse: y(0.5) = 0,7443
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.
Racine double
(r + 4)² = 0 → r = −4
Constantes
A = y(0) = 2
y′(0) = B − 4A → B = -1 + 8 = 7
Évaluer
y(0,5) = (2 + 7·0,5)·e−2 = 0,7443
Réponse
y(0,5) = 0,7443
2.Équations différentielles
Réponse: m = 64,38 kg
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.
Mettre en équation
dm/dt = 20·0,2 − (20/400)·m = 4 − 0,05·m
Résoudre
Le facteur intégrant est ert/V ; la solution tend vers l’équilibre c·V.
m(t) = 80 + (−70)·e−t/20
Remplacer t
m(30) = 80 + (−70)·0,2231 = 64,38 kg
Réponse
m = 64,38 kg
3.Intégrales
Réponse: I = 3,437
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) = e0,5x/0,5
Évaluer aux bornes
I = (e1 − 1)/0,5 = (2,718 − 1)/0,5 = 3,437
Réponse
I = 3,437
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′(2) = 0,077
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 et en chaîne
f′(x) = sin(x) + x·cos(x)
Remplacer
f′(2) = 0,9093 + 2·(−0,4161) = 0,077
Réponse
f′(2) = 0,077
6.Dérivées
Réponse: b = −1
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) = 2
f′(x) = 4x − 1 → f′(1) = 3
Tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 2 − 3·1 = −1
Réponse
b = −1
7.Méthodes numériques
Réponse: T = 0,4636
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
Σ wᵢfᵢ = 0 + 2·0,367879 + 0,191393 = 0,927152
Méthode des trapèzes
T = (1/2)·0,927152 = 0,4636
Réponse
T = 0,4636
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 = 1,27
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.