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 360 °C refroidit dans un atelier à 30 °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 11 min.
T0 = 360 °CTa = 30 °Ck = 0,02 min⁻¹t = 11 min
T = °C
2.Équations différentiellesDifficile
Un système obéit à y″ + y′ + 16,25y = 16,25 pour t ≥ 0, à partir du repos : y(0) = 0, y′(0) = 0. Trouvez y(1) ; angles en radians.
y″ + y′ + 16,25y = 16,25y(0) = 0y′(0) = 0
y(1) =
3.IntégralesMoyen
La région sous y = x de x = 0 à x = 4 tourne autour de l’axe des x. Trouvez le volume V du solide (un cône).
y = x0 ≤ x ≤ 4
V =
4.IntégralesDifficile
Calcule l'aire A du domaine entre la parabole y = 4 − x² et l'axe des x.
y = 4 − x²
A =
5.DérivéesMoyen
Soit f(x) = (4x + 1)4. Calcule f′(0).
f(x) = (4x + 1)4x = 0
f′(0) =
6.DérivéesDifficile
La tangente à f(x) = 2x2 + x − 6 en x = −1 coupe l'axe des y en y = b. Trouve b.
f(x) = 2x2 + x − 6x = −1
b =
7.Méthodes numériquesMoyen
Approchez ∫01,5 sin(x²) dx par la méthode des trapèzes avec n = 4 bandes. Donnez T.
f(x) = sin(x²)[a, b] = [0, 1,5]n = 4
T =
8.Méthodes numériquesDifficile
Faites un pas de la méthode de Runge–Kutta classique (RK4) avec h = 0,2 pour y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 1. Trouvez y₁ ≈ y(0,2).
y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 1h = 0,2
y1 =
3Solutions
1.Équations différentielles
Réponse: T = 294,8 °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) = 30 + 330·e−0,02t
Remplacer t
T(11) = 30 + 330·0,8025 = 294,8 °C
Réponse
T = 294,8 °C
2.Équations différentielles
Réponse: y(1) = 1,454
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 = −0,5 ± 4j
Constantes à partir des valeurs initiales
y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −0,5A + 4B = 0 → B = −0,125
Évaluer
y(1) = 1·(1 − e−0,5(cos 4 + 0,125·sin 4)) = 1,454
Réponse
y(1) = 1,454
3.Intégrales
Réponse: V = 67,02
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∫₀4 1x² dx
Intégrer
V = π·1·4³/3 = 67,02
Réponse
V = 67,02
Vérification : un cône de rayon 4 et de hauteur 4 a (1/3)πr²h = 67,02.
4.Intégrales
Réponse: A = 10,67
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.
Zéros
4 − x² = 0 → x = ±2
Intégrer
A = [4x − x³/3]−22 = 5,333 − (−5,333) = 10,67
Réponse
A = 10,67
5.Dérivées
Réponse: f′(0) = 16
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) = 4·(4x + 1)3·4
Remplacer
f′(0) = 4·13·4 = 16
Réponse
f′(0) = 16
6.Dérivées
Réponse: b = −8
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) = −5
f′(x) = 4x + 1 → f′(−1) = −3
Tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −5 − (−3)·(−1) = −8
Réponse
b = −8
7.Méthodes numériques
Réponse: T = 0,7561
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 = 1,223
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.