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) = 5 et y′(0) = 0. Trouvez y(0,5).
y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(0.5) =
2.Équations différentiellesDifficile
Un système obéit à y″ + 3y′ + 11,25y = 22,5 pour t ≥ 0, à partir du repos : y(0) = 0, y′(0) = 0. Trouvez la valeur de pic ymax de sa réponse indicielle.
y″ + 3y′ + 11,25y = 22,5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntégralesMoyen
La région sous y = 2x de x = 0 à x = 1 tourne autour de l’axe des x. Trouvez le volume V du solide (un cône).
y = 2x0 ≤ x ≤ 1
V =
4.IntégralesDifficile
Calcule l'aire A du domaine entre la parabole y = 9 − x² et l'axe des x.
y = 9 − x²
A =
5.DérivéesMoyen
Soit f(x) = ln(2x2 + 2). Calcule f′(−1).
f(x) = ln(2x2 + 2)x = −1
f′(−1) =
6.DérivéesDifficile
Soit f(x) = x3 − 4,5x2 + 5. Trouve l'abscisse x du minimum local.
f(x) = x3 − 4,5x2 + 5
x =
7.Méthodes numériquesMoyen
Approchez ∫01 sin x dx par la méthode de Simpson, n = 2, et comparez avec la valeur exacte. Trouvez l’erreur absolue |E| = |S − I|.
f(x) = sin x[a, b] = [0, 1]n = 2
|E| =
8.Méthodes numériquesDifficile
Résolvez y′ = t + y, y(0) = 1 avec la méthode d’Euler et le pas h = 0,5 jusqu’à t = 2. La solution exacte est y = −t − 1 + (y₀ + 1)eᵗ. Trouvez l’erreur globale |E| = |y(2) − y4|.
y′ = t + yy(0) = 1h = 0,5
|E| =
3Solutions
1.Équations différentielles
Réponse: y(0.5) = 2,03
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) = 5
y′(0) = B − 4A → B = 0 + 20 = 20
Évaluer
y(0,5) = (5 + 20·0,5)·e−2 = 2,03
Réponse
y(0,5) = 2,03
2.Équations différentielles
Réponse: ymax = 2,416
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.
Valeur stationnaire et racines
yss = 2, r = −1,5 ± 3j
Constantes à partir des valeurs initiales
y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −1,5A + 3B = 0 → B = −1
Pic
t = π/3 = 1,047
ymax = 2·(1 + e−1,5·π/3) = 2,416
Réponse
ymax = 2,416
3.Intégrales
Réponse: V = 4,189
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∫₀1 4x² dx
Intégrer
V = π·4·1³/3 = 4,189
Réponse
V = 4,189
Vérification : un cône de rayon 2 et de hauteur 1 a (1/3)πr²h = 4,189.
4.Intégrales
Réponse: A = 36
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
9 − x² = 0 → x = ±3
Intégrer
A = [9x − x³/3]−33 = 18 − (−18) = 36
Réponse
A = 36
5.Dérivées
Réponse: f′(−1) = −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.
Dérivation en chaîne du logarithme
f′(x) = 4x/(2x2 + 2)
Remplacer
f′(−1) = −4/4 = −1
Réponse
f′(−1) = −1
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 − 9x = 3·(x2 − 3x)
Résoudre f′(x) = 0
x = 0 ou x = 3
Lequel est lequel
f″(x) = 6x − 9 : négative en un maximum, positive en un minimum.
f″(0) = −9, f″(3) = 9
x = 3
Réponse
x = 3
7.Méthodes numériques
Réponse: |E| = 0,0001645
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.
Valeur exacte
I = 0,459698
Méthode de Simpson
S = (0,5/3)·(0 + 4·0,479426 + 0,841471) = 0,459862
Erreur
|E| = |0,459862 − 0,459698| = 0,0001645
Réponse
|E| = 0,0001645
Erreur relative : 0,03578 %.
8.Méthodes numériques
Réponse: |E| = 4,653
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.
Pas d’Euler
y4 = 7,125
Valeur exacte
y(2) = 11,778112
Erreur globale
|E| = |11,778112 − 7,125| = 4,653
Graphique
Réponse
|E| = 4,653
Diviser h par deux divise à peu près par deux l’erreur de la méthode d’Euler.