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″ + 6y′ + 9y = 0 avec y(0) = 1 et y′(0) = 4. Trouvez y(1,5).
y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 1y′(0) = 4
y(1.5) =
2.Équations différentiellesDifficile
Une cuve contient 400 L d’eau dans laquelle 5 kg de sel sont dissous. De la saumure contenant 0,1 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 65 min ?
V = 400 Lm0 = 5 kgc = 0,1 kg/Lr = 5 L/min
m = kg
3.IntégralesMoyen
La région sous y = √(4x) de x = 0 à x = 3 tourne autour de l’axe des x. Trouvez le volume V du solide (un paraboloïde).
y = √(4x)0 ≤ x ≤ 3
V =
4.IntégralesDifficile
Calcule l'aire A du domaine entre la parabole y = 1 − x² et l'axe des x.
y = 1 − x²
A =
5.DérivéesMoyen
Soit f(x) = ln(x2 + 5). Calcule f′(−2).
f(x) = ln(x2 + 5)x = −2
f′(−2) =
6.DérivéesDifficile
Soit f(x) = x3 + 6x2 + 9x − 6. Trouve l'abscisse x du maximum local.
f(x) = x3 + 6x2 + 9x − 6
x =
7.Méthodes numériquesMoyen
La vitesse d’un véhicule est mesurée toutes les 5 s (tableau). Estimez la distance s parcourue de t = 0 à t = 20 s avec la méthode de Simpson.
h = 5 sn = 4
s = m
8.Méthodes numériquesDifficile
Utilisez la méthode d’Euler avec h = 0,2 pour y′ = cos t − y, y(0) = −1 afin d’estimer y3 ≈ y(0,6).
y′ = cos t − yy(0) = −1h = 0,2
y3 =
3Solutions
1.Équations différentielles
Réponse: y(1.5) = 0,1278
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 + 3)² = 0 → r = −3
Constantes
A = y(0) = 1
y′(0) = B − 3A → B = 4 + 3 = 7
Évaluer
y(1,5) = (1 + 7·1,5)·e−4,5 = 0,1278
Réponse
y(1,5) = 0,1278
2.Équations différentielles
Réponse: m = 24,47 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 = 5·0,1 − (5/400)·m = 0,5 − 0,0125·m
Résoudre
Le facteur intégrant est ert/V ; la solution tend vers l’équilibre c·V.
m(t) = 40 + (−35)·e−t/80
Remplacer t
m(65) = 40 + (−35)·0,4437 = 24,47 kg
Réponse
m = 24,47 kg
3.Intégrales
Réponse: V = 56,55
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 4x dx
Intégrer
V = π·4·3²/2 = 56,55
Réponse
V = 56,55
4.Intégrales
Réponse: A = 1,333
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
1 − x² = 0 → x = ±1
Intégrer
A = [1x − x³/3]−11 = 0,6667 − (−0,6667) = 1,333
Réponse
A = 1,333
5.Dérivées
Réponse: f′(−2) = −0,4444
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) = 2x/(x2 + 5)
Remplacer
f′(−2) = −4/9 = −0,4444
Réponse
f′(−2) = −0,4444
6.Dérivées
Réponse: x = −3
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 + 12x + 9 = 3·(x2 + 4x + 3)
Résoudre f′(x) = 0
x = −3 ou x = −1
Lequel est lequel
f″(x) = 6x + 12 : négative en un maximum, positive en un minimum.
f″(−3) = −6, f″(−1) = 6
x = −3
Réponse
x = −3
7.Méthodes numériques
Réponse: s = 253,3 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
4 + 4·10 + 2·14 + 4·16 + 16 = 152
Méthode de Simpson
s = (5/3)·152 = 253,3 m
Réponse
s = 253,3 m
8.Méthodes numériques
Réponse: y3 = −0,04298
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.