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 83 °C est laissée dans une pièce à 23 °C. Au bout de 10 min, sa température est de 43 °C. Elle suit la loi de refroidissement de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Trouvez la constante k en min⁻¹.
T0 = 83 °CTa = 23 °CT(10) = 43 °C
k = min⁻¹
2.Équations différentiellesDifficile
Un système obéit à y″ + 4y′ + 20y = 20 pour t ≥ 0, à partir du repos : y(0) = 0, y′(0) = 0. Trouvez la valeur de pic ymax de sa réponse indicielle.
y″ + 4y′ + 20y = 20y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntégralesMoyen
Calculez I = ∫₀π/3 x·sin x dx (x en radians).
∫₀π/3 x·sin x dx
I =
4.IntégralesDifficile
La région entre la droite y = 2x et la parabole y = x² tourne autour de l’axe des x. Trouvez le volume V du solide.
y = 2xy = x²
V =
5.DérivéesMoyen
Soit f(x) = (2x − 3)5. Calcule f′(1).
f(x) = (2x − 3)5x = 1
f′(1) =
6.DérivéesDifficile
La tangente à f(x) = 0,5x2 − 4 en x = −2 coupe l'axe des y en y = b. Trouve b.
f(x) = 0,5x2 − 4x = −2
b =
7.Méthodes numériquesMoyen
La méthode des trapèzes est utilisée pour ∫02 sin x dx. L’erreur est au plus (b − a)³·M/(12n²) avec M = max|f″| sur [0, 2]. Trouvez le plus petit nombre de bandes n qui garantit une erreur inférieure à 0,0005.
f(x) = sin x[a, b] = [0, 2]ε = 0,0005
n =
8.Méthodes numériquesDifficile
Faites un pas de la méthode de Runge–Kutta classique (RK4) avec h = 0,2 pour y′ = e−ty, y(0) = 1. Trouvez y₁ ≈ y(0,2).
y′ = e−tyy(0) = 1h = 0,2
y1 =
3Solutions
1.Équations différentielles
Réponse: k = 0,1099 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 = 20/60
Résoudre pour k
k = ln(60/20)/10 = 0,1099 min⁻¹
Réponse
k = 0,1099 min⁻¹
2.Équations différentielles
Réponse: ymax = 1,208
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 = 1, r = −2 ± 4j
Constantes à partir des valeurs initiales
y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −2A + 4B = 0 → B = −0,5
Pic
t = π/4 = 0,7854
ymax = 1·(1 + e−2·π/4) = 1,208
Réponse
ymax = 1,208
3.Intégrales
Réponse: I = 0,3424
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 = sin x dx, v = −cos x
Primitive
∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x
Limites
(−π/3·cos π/3 + sin π/3) − (0 + 0) = 0,3424
Réponse
I = 0,3424
4.Intégrales
Réponse: V = 13,4
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
2x = 1x² → x = 0, x = 2
Méthode des rondelles
V = π∫₀2 ((2x)² − (1x²)²) dx
Intégrer
V = π(4·2³/3 − 1·2⁵/5) = π·4,267 = 13,4
Réponse
V = 13,4
5.Dérivées
Réponse: f′(1) = 10
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
f′(x) = 5·(2x − 3)4·2
Remplacer
f′(1) = 5·(−1)4·2 = 10
Réponse
f′(1) = 10
6.Dérivées
Réponse: b = −6
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(−2) = −2
f′(x) = x → f′(−2) = −2
Tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −2 − (−2)·(−2) = −6
Réponse
b = −6
7.Méthodes numériques
Réponse: n = 37
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 = |sin(π/2)| = 1
Résoudre pour n
n² > 8·1/(12·0,0005) = 1333
n > 36,51 → n = 37
Réponse
n = 37
8.Méthodes numériques
Réponse: y1 = 1,179
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.