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) = 2. Trouvez y(2).
La région sous y = 3x de x = 0 à x = 4 tourne autour de l’axe des x. Trouvez le volume V du solide (un cône).
y = 3x0 ≤ x ≤ 4
V =
4.IntégralesDifficile
Calcule l'aire A du domaine délimité par y = 2x2 et y = x.
y = 2x2y = x
A =
5.DérivéesMoyen
Soit f(x) = ln(3x2 + 1). Calcule f′(3).
f(x) = ln(3x2 + 1)x = 3
f′(3) =
6.DérivéesDifficile
La tangente à f(x) = 0,5x2 − x + 6 en x = −1 coupe l'axe des y en y = b. Trouve b.
f(x) = 0,5x2 − x + 6x = −1
b =
7.Méthodes numériquesMoyen
Approchez ∫01,5 1/(1 + x³) dx par la méthode de Simpson avec n = 2 bandes. Donnez S.
f(x) = 1/(1 + x³)[a, b] = [0, 1,5]n = 2
S =
8.Méthodes numériquesDifficile
Faites un pas de la méthode de Runge–Kutta classique (RK4) avec h = 0,2 pour y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 1. Trouvez y₁ ≈ y(0,2).
y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 1h = 0,2
y1 =
3Solutions
1.Équations différentielles
Réponse: y(2) = 0,00738
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 = 2 + 8 = 10
Évaluer
y(2) = (2 + 10·2)·e−8 = 0,00738
Réponse
y(2) = 0,00738
2.Équations différentielles
Réponse: y(2) = 0,9728
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 = e2t
(e2ty)′ = 8et
Solution générale
y = 8/1·e−t + C·e−2t = 8·e−t + C·e−2t
Condition initiale
2 = 8 + C → C = −6
Évaluer
y(2) = 8·0,1353 + (−6)·0,01832 = 0,9728
Réponse
y(2) = 0,9728
3.Intégrales
Réponse: V = 603,2
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∫₀4 9x² dx
Intégrer
V = π·9·4³/3 = 603,2
Réponse
V = 603,2
Vérification : un cône de rayon 12 et de hauteur 4 a (1/3)πr²h = 603,2.
4.Intégrales
Réponse: A = 0,04167
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.
Points d'intersection
2x2 = x → x = 0, x = 0,5
Intégrer la haute moins la basse
A = [0,5x2 − 0,6667x3]00,5 = 0,04167
Réponse
A = 0,04167
5.Dérivées
Réponse: f′(3) = 0,6429
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′(3) = 18/28 = 0,6429
Réponse
f′(3) = 0,6429
6.Dérivées
Réponse: b = 5,5
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) = 7,5
f′(x) = x − 1 → f′(−1) = −2
Tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 7,5 − (−2)·(−1) = 5,5
Réponse
b = 5,5
7.Méthodes numériques
Réponse: S = 1,01
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 = 0,75
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0,703297 + 0,228571 = 4,041758
Méthode de Simpson
S = (0,75/3)·4,041758 = 1,01
Réponse
S = 1,01
Cette intégrale n’a pas de primitive élémentaire, ce qui est exactement le cas où une méthode numérique est nécessaire.
8.Méthodes numériques
Réponse: y1 = 1,223
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.