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 340 °C refroidit dans un atelier à 30 °C. Au bout de 22 min, sa température est de 133 °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 257 °C ?
T0 = 340 °CTa = 30 °CT(22) = 133 °CT = 257 °C
t = min
2.Équations différentiellesDifficile
Une cuve contient 500 L d’eau dans laquelle 5 kg de sel sont dissous. De la saumure contenant 0,25 kg de sel par litre entre à 2 L/min, et la solution bien mélangée sort au même débit. Au bout de combien de minutes t la cuve contient-elle 77 kg de sel ?
V = 500 Lm0 = 5 kgc = 0,25 kg/Lr = 2 L/min
t = min
3.IntégralesMoyen
Calculez I = ∫₁1,5 x·ln x dx.
∫₁1,5 x ln x dx
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(2x), avec x en radians. Calcule f′(2).
f(x) = x·sin(2x)x = 2 rad
f′(2) =
6.DérivéesDifficile
La tangente à f(x) = 0,5x2 − x + 1 en x = 2 coupe l'axe des y en y = b. Trouve b.
f(x) = 0,5x2 − x + 1x = 2
b =
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 = 4 s avec la méthode des trapèzes.
h = 1 sn = 4
s = m
8.Méthodes numériquesDifficile
Faites un pas de la méthode de Runge–Kutta classique (RK4) avec h = 0,1 pour y′ = cos t − y, y(0) = 1. Trouvez y₁ ≈ y(0,1).
y′ = cos t − yy(0) = 1h = 0,1
y1 =
3Solutions
1.Équations différentielles
Réponse: t = 6,222 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(310/103)/22 = 0,05008 min⁻¹
Temps pour atteindre la valeur visée
t = ln(310/227)/0,05008 = 6,222 min
Réponse
t = 6,222 min
2.Équations différentielles
Réponse: t = 229,1 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.
Résultat
m(t) = 125 + (−120)·e−t/250
Résoudre pour t
e−t/250 = (125 − 77)/(125 − 5) = 0,4
t = 250·ln(2,5) = 229,1 min
Réponse
t = 229,1 min
3.Intégrales
Réponse: I = 0,1436
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.
Choisir u et dv
u = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2
Primitive
∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4
Limites
(1,125·ln 1,5 − 0,5625) − (0 − 0,25) = 0,1436
Réponse
I = 0,1436
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) = −3,371
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(2x) + 2x·cos(2x)
Remplacer
f′(2) = −0,7568 + 4·(−0,6536) = −3,371
Réponse
f′(2) = −3,371
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(2) = 1
f′(x) = x − 1 → f′(2) = 1
Tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 1 − 1·2 = −1
Réponse
b = −1
7.Méthodes numériques
Réponse: s = 33,5 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
2 + 2·3 + 2·7 + 2·13 + 19 = 67
Méthode des trapèzes
s = (1/2)·67 = 33,5 m
Réponse
s = 33,5 m
8.Méthodes numériques
Réponse: y1 = 0,9998
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.