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) = 3 et y′(0) = 2. Trouvez y(0,5).
y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 3y′(0) = 2
y(0.5) =
2.Équations différentiellesDifficile
Résolvez y″ + y′ + 25,25y = 0 avec y(0) = 3 et y′(0) = 0 (lâché sans vitesse initiale). Trouvez y(0,25) ; angles en radians.
y″ + y′ + 25,25y = 0y(0) = 3y′(0) = 0
y(0.25) =
3.IntégralesMoyen
Calculez I = ∫₀2 x·cos x dx (x en radians).
∫₀2 x·cos x dx
I =
4.IntégralesDifficile
Calcule l'aire A du domaine délimité par y = 0,5x2 et y = 4x.
y = 0,5x2y = 4x
A =
5.DérivéesMoyen
Soit f(x) = x·ex. Calcule f′(1).
f(x) = x·exx = 1
f′(1) =
6.DérivéesDifficile
La tangente à f(x) = x2 + x + 2 en x = 1 coupe l'axe des y en y = b. Trouve b.
f(x) = x2 + x + 2x = 1
b =
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 0,0005.
f(x) = 1/x[a, b] = [1, 2]ε = 0,0005
n =
8.Méthodes numériquesDifficile
Utilisez la méthode d’Euler avec h = 0,25 pour y′ = y − t², y(0) = 1 afin d’estimer y4 ≈ y(1).
y′ = y − t²y(0) = 1h = 0,25
y4 =
3Solutions
1.Équations différentielles
Réponse: y(0.5) = 2,575
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) = 3
y′(0) = B − 2A → B = 2 + 6 = 8
Évaluer
y(0,5) = (3 + 8·0,5)·e−1 = 2,575
Réponse
y(0,5) = 2,575
2.Équations différentielles
Réponse: y(0.25) = 1,086
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.
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 = x, du = dx; dv = cos x dx, v = sin x
Primitive
∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x
Limites
(2·sin 2 + cos 2) − (0 + 1) = 0,4024
Réponse
I = 0,4024
4.Intégrales
Réponse: A = 42,67
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
0,5x2 = 4x → x = 0, x = 8
Intégrer la haute moins la basse
A = [2x2 − 0,1667x3]08 = 42,67
Réponse
A = 42,67
5.Dérivées
Réponse: f′(1) = 5,437
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′ = ex·(1 + 1·x)
Remplacer
f′(1) = 2,718·(1 + 1) = 5,437
Réponse
f′(1) = 5,437
6.Dérivées
Réponse: b = 1
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) = 4
f′(x) = 2x + 1 → f′(1) = 3
Tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 4 − 3·1 = 1
Réponse
b = 1
7.Méthodes numériques
Réponse: n = 19
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/(12·0,0005) = 333,3
n > 18,26 → n = 19
Réponse
n = 19
8.Méthodes numériques
Réponse: y4 = 2,198
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.