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″ + 4y′ + 4y = 0 avec y(0) = 1 et y′(0) = -1. Trouvez y(1).
y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 1y′(0) = -1
y(1) =
2.Équations différentiellesDifficile
Un système obéit à y″ + 2y′ + 26y = 52 pour t ≥ 0, à partir du repos : y(0) = 0, y′(0) = 0. Trouvez la valeur de pic ymax de sa réponse indicielle.
y″ + 2y′ + 26y = 52y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
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 = ∫₀0,5 x²·eˣ dx.
∫₀0,5 x²eˣ dx
I =
5.DérivéesMoyen
Soit f(x) = ln(3x2 + 1). Calcule f′(1).
f(x) = ln(3x2 + 1)x = 1
f′(1) =
6.DérivéesDifficile
La tangente à f(x) = x2 − 4x + 6 en x = −1 coupe l'axe des y en y = b. Trouve b.
f(x) = x2 − 4x + 6x = −1
b =
7.Méthodes numériquesMoyen
Approchez ∫02 sin(x²) dx par la méthode des trapèzes avec n = 6 bandes. Donnez T.
f(x) = sin(x²)[a, b] = [0, 2]n = 6
T =
8.Méthodes numériquesDifficile
Utilisez la méthode de Heun (Euler amélioré) avec h = 0,5 pour y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 0,5 afin d’estimer y3 ≈ y(1,5).
y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0,5h = 0,5
y3 =
3Solutions
1.Équations différentielles
Réponse: y(1) = 0,2707
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 + 2)² = 0 → r = −2
Constantes
A = y(0) = 1
y′(0) = B − 2A → B = -1 + 2 = 1
Évaluer
y(1) = (1 + 1·1)·e−2 = 0,2707
Réponse
y(1) = 0,2707
2.Équations différentielles
Réponse: ymax = 3,067
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.
Valeur stationnaire et racines
yss = 2, r = −1 ± 5j
Constantes à partir des valeurs initiales
y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −1A + 5B = 0 → B = −0,4
Pic
t = π/5 = 0,6283
ymax = 2·(1 + e−1·π/5) = 3,067
Réponse
ymax = 3,067
3.Intégrales
Réponse: V = 7,069
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 = 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′(1) = 1,5
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.
Dérivation en chaîne du logarithme
f′(x) = 6x/(3x2 + 1)
Remplacer
f′(1) = 6/4 = 1,5
Réponse
f′(1) = 1,5
6.Dérivées
Réponse: b = 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.
Point et pente
f(−1) = 11
f′(x) = 2x − 4 → f′(−1) = −6
Tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 11 − (−6)·(−1) = 5
Réponse
b = 5
7.Méthodes numériques
Réponse: T = 0,7795
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.
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 = 2,479
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.