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″ + 2y′ + y = 0 avec y(0) = 1 et y′(0) = 1. Trouvez y(1).
y″ + 2y′ + y = 0y(0) = 1y′(0) = 1
y(1) =
2.Équations différentiellesDifficile
Une cuve contient 100 L d’eau dans laquelle 10 kg de sel sont dissous. De la saumure contenant 0,25 kg de sel par litre entre à 5 L/min, et la solution bien mélangée sort au même débit. Quelle quantité de sel m la cuve contient-elle au bout de 25 min ?
V = 100 Lm0 = 10 kgc = 0,25 kg/Lr = 5 L/min
m = kg
3.IntégralesMoyen
Calcule I = ∫210 2/x dx.
f(x) = 2/x[2, 10]
I =
4.IntégralesDifficile
Calculez I = ∫₀1,5 x²·eˣ dx.
∫₀1,5 x²eˣ dx
I =
5.DérivéesMoyen
Soit f(x) = ln(3x2 + 4). Calcule f′(3).
f(x) = ln(3x2 + 4)x = 3
f′(3) =
6.DérivéesDifficile
Soit f(x) = x3 − 12x − 4. Trouve l'abscisse x du minimum local.
f(x) = x3 − 12x − 4
x =
7.Méthodes numériquesMoyen
La méthode des trapèzes est utilisée pour ∫12 1/x dx. L’erreur est au plus (b − a)³·M/(12n²) avec M = max|f″| sur [1, 2]. Trouvez le plus petit nombre de bandes n qui garantit une erreur inférieure à 1 × 10⁻⁵.
f(x) = 1/x[a, b] = [1, 2]ε = 1 × 10⁻⁵
n =
8.Méthodes numériquesDifficile
Utilisez la méthode d’Euler avec h = 0,5 pour y′ = t + y, y(0) = 0,5 afin d’estimer y3 ≈ y(1,5).
y′ = t + yy(0) = 0,5h = 0,5
y3 =
3Solutions
1.Équations différentielles
Réponse: y(1) = 1,104
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 + 1)² = 0 → r = −1
Constantes
A = y(0) = 1
y′(0) = B − 1A → B = 1 + 1 = 2
Évaluer
y(1) = (1 + 2·1)·e−1 = 1,104
Réponse
y(1) = 1,104
2.Équations différentielles
Réponse: m = 20,7 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 = 5·0,25 − (5/100)·m = 1,25 − 0,05·m
Résoudre
Le facteur intégrant est ert/V ; la solution tend vers l’équilibre c·V.
m(t) = 25 + (−15)·e−t/20
Remplacer t
m(25) = 25 + (−15)·0,2865 = 20,7 kg
Réponse
m = 20,7 kg
3.Intégrales
Réponse: I = 3,219
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) = 2·ln x
Évaluer aux bornes
I = 2·(ln 10 − ln 2) = 2·ln 5 = 3,219
Réponse
I = 3,219
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′(3) = 0,5806
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 + 4)
Remplacer
f′(3) = 18/31 = 0,5806
Réponse
f′(3) = 0,5806
6.Dérivées
Réponse: x = 2
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.
Dérivée
f′(x) = 3x2 − 12 = 3·(x2 − 4)
Résoudre f′(x) = 0
x = −2 ou x = 2
Lequel est lequel
f″(x) = 6x : négative en un maximum, positive en un minimum.
f″(−2) = −12, f″(2) = 12
x = 2
Réponse
x = 2
7.Méthodes numériques
Réponse: n = 130
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.
Majoration de la dérivée seconde
M = 2/1³ = 2
Résoudre pour n
n² > 1·2/(12·1 × 10⁻⁵) = 16667
n > 129,1 → n = 130
Réponse
n = 130
8.Méthodes numériques
Réponse: y3 = 2,563
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.