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 pièce d’acier forgé à 380 °C refroidit dans un atelier à 25 °C. Elle suit la loi de refroidissement de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Avec k = 0,02 min⁻¹, trouvez sa température T au bout de 56 min.
La région entre la droite y = 4x et la parabole y = 2x² tourne autour de l’axe des x. Trouvez le volume V du solide.
y = 4xy = 2x²
V =
5.DérivéesMoyen
Soit f(x) = x2·e−x. Calcule f′(1).
f(x) = x2·e−xx = 1
f′(1) =
6.DérivéesDifficile
La tangente à f(x) = x2 − 2x + 4 en x = 1 coupe l'axe des y en y = b. Trouve b.
f(x) = x2 − 2x + 4x = 1
b =
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 des trapèzes.
h = 5 sn = 4
s = m
8.Méthodes numériquesDifficile
Utilisez la méthode de Heun (Euler amélioré) avec h = 0,1 pour y′ = t + y, y(0) = 1 afin d’estimer y2 ≈ y(0,2).
y′ = t + yy(0) = 1h = 0,1
y2 =
3Solutions
1.Équations différentielles
Réponse: T = 140,8 °C
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.
Solution de la loi de refroidissement
T(t) = 25 + 355·e−0,02t
Remplacer t
T(56) = 25 + 355·0,3263 = 140,8 °C
Réponse
T = 140,8 °C
2.Équations différentielles
Réponse: y(1) = 1,235
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.
Facteur intégrant
μ = e0,5t
(e0,5ty)′ = 2e−1,5t
Solution générale
y = 2/(−1,5)·e−2t + C·e−0,5t = −1,333·e−2t + C·e−0,5t
Condition initiale
1 = −1,333 + C → C = 2,333
Évaluer
y(1) = −1,333·0,1353 + 2,333·0,6065 = 1,235
Réponse
y(1) = 1,235
3.Intégrales
Réponse: I = 14,12
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
(12,5·ln 5 − 6,25) − (0 − 0,25) = 14,12
Réponse
I = 14,12
4.Intégrales
Réponse: V = 53,62
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.
Points d'intersection
4x = 2x² → x = 0, x = 2
Méthode des rondelles
V = π∫₀2 ((4x)² − (2x²)²) dx
Intégrer
V = π(16·2³/3 − 4·2⁵/5) = π·17,07 = 53,62
Réponse
V = 53,62
5.Dérivées
Réponse: f′(1) = 0,3679
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−x·(2x + (−1)·x2)
Remplacer
f′(1) = 0,3679·(2 + (−1)) = 0,3679
Réponse
f′(1) = 0,3679
6.Dérivées
Réponse: b = 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.
Point et pente
f(1) = 3
f′(x) = 2x − 2 → f′(1) = 0
Tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 3 − 0·1 = 3
Réponse
b = 3
7.Méthodes numériques
Réponse: s = 257,5 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 + 2·8 + 2·14 + 2·18 + 19 = 103
Méthode des trapèzes
s = (5/2)·103 = 257,5 m
Réponse
s = 257,5 m
8.Méthodes numériques
Réponse: y2 = 1,242
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.