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 tasse de café à 89 °C est laissée dans une pièce à 18 °C. Au bout de 10 min, sa température est de 53 °C. Elle suit la loi de refroidissement de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Trouvez la constante k en min⁻¹.
T0 = 89 °CTa = 18 °CT(10) = 53 °C
k = min⁻¹
2.Équations différentiellesDifficile
Résolvez y″ + 4y′ + 20y = 0 avec y(0) = 3 et y′(0) = 0 (lâché sans vitesse initiale). Trouvez y(0,25) ; angles en radians.
y″ + 4y′ + 20y = 0y(0) = 3y′(0) = 0
y(0.25) =
3.IntégralesMoyen
Calculez I = ∫₁2 x·ln x dx.
∫₁2 x ln x dx
I =
4.IntégralesDifficile
Calculez I = ∫₀3 x²·eˣ dx.
∫₀3 x²eˣ dx
I =
5.DérivéesMoyen
Soit f(x) = x2·e−0,5x. Calcule f′(2).
f(x) = x2·e−0,5xx = 2
f′(2) =
6.DérivéesDifficile
La tangente à f(x) = x2 + 2x + 4 en x = 3 coupe l'axe des y en y = b. Trouve b.
f(x) = x2 + 2x + 4x = 3
b =
7.Méthodes numériquesMoyen
Approchez ∫01 eˣ dx par la méthode des trapèzes, n = 4, et comparez avec la valeur exacte. Trouvez l’erreur absolue |E| = |T − I|.
f(x) = eˣ[a, b] = [0, 1]n = 4
|E| =
8.Méthodes numériquesDifficile
Faites un pas de la méthode de Runge–Kutta classique (RK4) avec h = 0,2 pour y′ = e−ty, y(0) = 0,5. Trouvez y₁ ≈ y(0,2).
y′ = e−tyy(0) = 0,5h = 0,2
y1 =
3Solutions
1.Équations différentielles
Réponse: k = 0,07073 min⁻¹
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.
Rapport des écarts de température
e−10k = 35/71
Résoudre pour k
k = ln(71/35)/10 = 0,07073 min⁻¹
Réponse
k = 0,07073 min⁻¹
2.Équations différentielles
Réponse: y(0.25) = 1,749
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.
Racines complexes
r = −2 ± 4j
Constantes
A = 3, B = 2·3/4 = 1,5
Évaluer
y(0,25) = e−0,5(3·cos 1 + 1,5·sin 1) = 1,749
Réponse
y(0,25) = 1,749
3.Intégrales
Réponse: I = 0,6363
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
(2·ln 2 − 1) − (0 − 0,25) = 0,6363
Réponse
I = 0,6363
4.Intégrales
Réponse: I = 98,43
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
20,09·(5) − 1·2 = 98,43
Réponse
I = 98,43
5.Dérivées
Réponse: f′(2) = 0,7358
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
f′(x) = u′v + uv′ = e−0,5x·(2x + (−0,5)·x2)
Remplacer
f′(2) = 0,3679·(4 + (−2)) = 0,7358
Réponse
f′(2) = 0,7358
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(3) = 19
f′(x) = 2x + 2 → f′(3) = 8
Tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 19 − 8·3 = −5
Réponse
b = −5
7.Méthodes numériques
Réponse: |E| = 0,00894
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.
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.