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 400 °C refroidit dans un atelier à 28 °C. Elle suit la loi de refroidissement de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Avec k = 0,03 min⁻¹, trouvez sa température T au bout de 50 min.
T0 = 400 °CTa = 28 °Ck = 0,03 min⁻¹t = 50 min
T = °C
2.Équations différentiellesDifficile
Résolvez le problème de Cauchy y′ + 2y/x = 3x2 pour x > 0, avec y(1) = 4. Trouvez y(2).
y′ + 2y/x = 3x2y(1) = 4
y(2) =
3.IntégralesMoyen
Calculez I = ∫₀2 x·cos x dx (x en radians).
∫₀2 x·cos x dx
I =
4.IntégralesDifficile
Calcule l'aire A du domaine délimité par y = x2 et y = 2x.
y = x2y = 2x
A =
5.DérivéesMoyen
Soit f(x) = ln(2x2 + 5). Calcule f′(3).
f(x) = ln(2x2 + 5)x = 3
f′(3) =
6.DérivéesDifficile
Soit f(x) = x3 − 12x2 + 36x − 5. Trouve l'abscisse x du maximum local.
f(x) = x3 − 12x2 + 36x − 5
x =
7.Méthodes numériquesMoyen
Approchez ∫01,5 sin(x²) dx par la méthode des trapèzes avec n = 2 bandes. Donnez T.
f(x) = sin(x²)[a, b] = [0, 1,5]n = 2
T =
8.Méthodes numériquesDifficile
Utilisez la méthode de Heun (Euler amélioré) avec h = 0,2 pour y′ = t − y, y(0) = 1 afin d’estimer y3 ≈ y(0,6).
y′ = t − yy(0) = 1h = 0,2
y3 =
3Solutions
1.Équations différentielles
Réponse: T = 111 °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) = 28 + 372·e−0,03t
Remplacer t
T(50) = 28 + 372·0,2231 = 111 °C
Réponse
T = 111 °C
2.Équations différentielles
Réponse: y(2) = 5,65
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∫2/x dx = x2
Intégrer
(x2y)′ = 3x4 → x2y = 3x5/5 + C
Condition initiale
4 = 3/5 + C → C = 3,4
Évaluer
y(2) = (3·25/5 + 3,4)/22 = 5,65
Réponse
y(2) = 5,65
3.Intégrales
Réponse: I = 0,4024
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 = cos x dx, v = sin x
Primitive
∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x
Limites
(2·sin 2 + cos 2) − (0 + 1) = 0,4024
Réponse
I = 0,4024
4.Intégrales
Réponse: A = 1,333
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
x2 = 2x → x = 0, x = 2
Intégrer la haute moins la basse
A = [x2 − 0,3333x3]02 = 1,333
Réponse
A = 1,333
5.Dérivées
Réponse: f′(3) = 0,5217
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′(3) = 12/23 = 0,5217
Réponse
f′(3) = 0,5217
6.Dérivées
Réponse: x = 2
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 − 24x + 36 = 3·(x2 − 8x + 12)
Résoudre f′(x) = 0
x = 2 ou x = 6
Lequel est lequel
f″(x) = 6x − 24 : négative en un maximum, positive en un minimum.
f″(2) = −12, f″(6) = 12
x = 2
Réponse
x = 2
7.Méthodes numériques
Réponse: T = 0,6918
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.
Nœuds et valeurs
h = 0,75
Σ wᵢfᵢ = 0 + 2·0,533303 + 0,778073 = 1,844679
Méthode des trapèzes
T = (0,75/2)·1,844679 = 0,6918
Réponse
T = 0,6918
Cette intégrale n’a pas de primitive élémentaire, ce qui est exactement le cas où une méthode numérique est nécessaire.
8.Méthodes numériques
Réponse: y3 = 0,7027
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.