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′ + 15y = 0 avec y(0) = 1 et y′(0) = 0. Trouvez y(0,5).
y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = 1y′(0) = 0
y(0.5) =
2.Équations différentiellesDifficile
Une cuve contient 1000 L d’eau dans laquelle 10 kg de sel sont dissous. De la saumure contenant 0,25 kg de sel par litre entre à 20 L/min, et la solution bien mélangée sort au même débit. Au bout de combien de minutes t la cuve contient-elle 202 kg de sel ?
V = 1000 Lm0 = 10 kgc = 0,25 kg/Lr = 20 L/min
t = min
3.IntégralesMoyen
Calcule I = ∫02 2x·(x² + 1)1 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)1[0, 2]
I =
4.IntégralesDifficile
Calcule l'aire A du domaine délimité par y = 2x2 et y = 3x.
y = 2x2y = 3x
A =
5.DérivéesMoyen
Soit f(x) = x·sin(x), avec x en radians. Calcule f′(1,5).
f(x) = x·sin(x)x = 1,5 rad
f′(1.5) =
6.DérivéesDifficile
Soit f(x) = x3 − 3x − 5. Trouve l'abscisse x du minimum local.
f(x) = x3 − 3x − 5
x =
7.Méthodes numériquesMoyen
Approchez ∫01,5 1/√(1 + x⁴) dx par la méthode des trapèzes avec n = 5 bandes. Donnez T.
f(x) = 1/√(1 + x⁴)[a, b] = [0, 1,5]n = 5
T =
8.Méthodes numériquesDifficile
Utilisez la méthode de Heun (Euler amélioré) avec h = 0,2 pour y′ = e−ty, y(0) = 0,5 afin d’estimer y2 ≈ y(0,4).
y′ = e−tyy(0) = 0,5h = 0,2
y2 =
3Solutions
1.Équations différentielles
Réponse: y(0.5) = 0,4347
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.
Racines caractéristiques
(r + 3)(r + 5) = 0 → r = −3, −5
Constantes à partir des valeurs initiales
A + B = 1, −3A − 5B = 0
A = 2,5, B = −1,5
Évaluer
y(0,5) = 2,5·e−1,5 + (−1,5)·e−2,5 = 0,4347
Réponse
y(0,5) = 0,4347
2.Équations différentielles
Réponse: t = 80,47 min
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.
Résultat
m(t) = 250 + (−240)·e−t/50
Résoudre pour t
e−t/50 = (250 − 202)/(250 − 10) = 0,2
t = 50·ln(5) = 80,47 min
Réponse
t = 80,47 min
3.Intégrales
Réponse: I = 12
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.
Changement de variable
u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫15 u1 du
Intégrer et évaluer
I = [u2/2]15 = (25 − 1)/2 = 12
Réponse
I = 12
4.Intégrales
Réponse: A = 1,125
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
2x2 = 3x → x = 0, x = 1,5
Intégrer la haute moins la basse
A = [1,5x2 − 0,6667x3]01,5 = 1,125
Réponse
A = 1,125
5.Dérivées
Réponse: f′(1.5) = 1,104
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 et en chaîne
f′(x) = sin(x) + x·cos(x)
Remplacer
f′(1,5) = 0,9975 + 1,5·0,07074 = 1,104
Réponse
f′(1,5) = 1,104
6.Dérivées
Réponse: x = 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.
Dérivée
f′(x) = 3x2 − 3 = 3·(x2 − 1)
Résoudre f′(x) = 0
x = −1 ou x = 1
Lequel est lequel
f″(x) = 6x : négative en un maximum, positive en un minimum.
f″(−1) = −6, f″(1) = 6
x = 1
Réponse
x = 1
7.Méthodes numériques
Réponse: T = 1,196
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: y2 = 0,845
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.