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 21 °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 32 min.
T0 = 380 °CTa = 21 °Ck = 0,02 min⁻¹t = 32 min
T = °C
2.Équations différentiellesDifficile
Résolvez le problème de Cauchy y′ + y/x = 2 pour x > 0, avec y(1) = −3. Trouvez y(3).
y′ + y/x = 2y(1) = −3
y(3) =
3.IntégralesMoyen
La région sous y = √(4x) de x = 0 à x = 1 tourne autour de l’axe des x. Trouvez le volume V du solide (un paraboloïde).
y = √(4x)0 ≤ x ≤ 1
V =
4.IntégralesDifficile
Calculez I = ∫₀0,5 x²·eˣ dx.
∫₀0,5 x²eˣ dx
I =
5.DérivéesMoyen
Soit f(x) = ln(2x2 + 5). Calcule f′(−1).
f(x) = ln(2x2 + 5)x = −1
f′(−1) =
6.DérivéesDifficile
La tangente à f(x) = 3x2 − 5x + 2 en x = 3 coupe l'axe des y en y = b. Trouve b.
f(x) = 3x2 − 5x + 2x = 3
b =
7.Méthodes numériquesMoyen
Approchez ∫03 √x·e−x dx par la méthode de Simpson avec n = 4 bandes. Donnez S.
f(x) = √x·e−x[a, b] = [0, 3]n = 4
S =
8.Méthodes numériquesDifficile
Faites un pas de la méthode de Runge–Kutta classique (RK4) avec h = 0,1 pour y′ = e−ty, y(0) = 0,5. Trouvez y₁ ≈ y(0,1).
y′ = e−tyy(0) = 0,5h = 0,1
y1 =
3Solutions
1.Équations différentielles
Réponse: T = 210,3 °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) = 21 + 359·e−0,02t
Remplacer t
T(32) = 21 + 359·0,5273 = 210,3 °C
Réponse
T = 210,3 °C
2.Équations différentielles
Réponse: y(3) = 1,667
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 = e∫1/x dx = x1
Intégrer
(x1y)′ = 2x → x1y = 2x2/2 + C
Condition initiale
−3 = 2/2 + C → C = −4
Évaluer
y(3) = (2·32/2 + (−4))/31 = 1,667
Réponse
y(3) = 1,667
3.Intégrales
Réponse: V = 6,283
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 4x dx
Intégrer
V = π·4·1²/2 = 6,283
Réponse
V = 6,283
4.Intégrales
Réponse: I = 0,0609
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.
Première étape
∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx
Deuxième étape
∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)
Limites
1,649·(1,25) − 1·2 = 0,0609
Réponse
I = 0,0609
5.Dérivées
Réponse: f′(−1) = −0,5714
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 + 5)
Remplacer
f′(−1) = −4/7 = −0,5714
Réponse
f′(−1) = −0,5714
6.Dérivées
Réponse: b = −25
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(3) = 14
f′(x) = 6x − 5 → f′(3) = 13
Tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 14 − 13·3 = −25
Réponse
b = −25
7.Méthodes numériques
Réponse: S = 0,7254
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.
Cette intégrale n’a pas de primitive élémentaire, ce qui est exactement le cas où une méthode numérique est nécessaire.
8.Méthodes numériques
Réponse: y1 = 0,5972
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.