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 85 °C est laissée dans une pièce à 22 °C. Au bout de 22 min, sa température est de 28 °C. Elle suit la loi de refroidissement de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Trouvez la constante k en min⁻¹.
T0 = 85 °CTa = 22 °CT(22) = 28 °C
k = min⁻¹
2.Équations différentiellesDifficile
Un système obéit à y″ + 3y′ + 18,25y = 182,5 pour t ≥ 0, à partir du repos : y(0) = 0, y′(0) = 0. Trouvez la valeur de pic ymax de sa réponse indicielle.
y″ + 3y′ + 18,25y = 182,5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntégralesMoyen
Calculez I = ∫₀2 x·sin x dx (x en radians).
∫₀2 x·sin x dx
I =
4.IntégralesDifficile
Calcule l'aire A du domaine entre la parabole y = 1 − x² et l'axe des x.
y = 1 − x²
A =
5.DérivéesMoyen
Soit f(x) = (−2x + 5)5. Calcule f′(−1).
f(x) = (−2x + 5)5x = −1
f′(−1) =
6.DérivéesDifficile
Soit f(x) = x3 − 9x2 + 24x − 3. Trouve l'abscisse x du maximum local.
f(x) = x3 − 9x2 + 24x − 3
x =
7.Méthodes numériquesMoyen
Approchez ∫01,5 1/(1 + x³) dx par la méthode des trapèzes avec n = 3 bandes. Donnez T.
f(x) = 1/(1 + x³)[a, b] = [0, 1,5]n = 3
T =
8.Méthodes numériquesDifficile
Utilisez la méthode de Heun (Euler amélioré) avec h = 0,25 pour y′ = cos t − y, y(0) = 3 afin d’estimer y3 ≈ y(0,75).
y′ = cos t − yy(0) = 3h = 0,25
y3 =
3Solutions
1.Équations différentielles
Réponse: k = 0,1069 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−22k = 6/63
Résoudre pour k
k = ln(63/6)/22 = 0,1069 min⁻¹
Réponse
k = 0,1069 min⁻¹
2.Équations différentielles
Réponse: ymax = 13,08
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 = 10, r = −1,5 ± 4j
Constantes à partir des valeurs initiales
y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −1,5A + 4B = 0 → B = −3,75
Pic
t = π/4 = 0,7854
ymax = 10·(1 + e−1,5·π/4) = 13,08
Réponse
ymax = 13,08
3.Intégrales
Réponse: I = 1,742
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
(−2·cos 2 + sin 2) − (0 + 0) = 1,742
Réponse
I = 1,742
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.
Zéros
1 − x² = 0 → x = ±1
Intégrer
A = [1x − x³/3]−11 = 0,6667 − (−0,6667) = 1,333
Réponse
A = 1,333
5.Dérivées
Réponse: f′(−1) = −24010
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 + 5)4·(−2)
Remplacer
f′(−1) = 5·74·(−2) = −24010
Réponse
f′(−1) = −24010
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 − 18x + 24 = 3·(x2 − 6x + 8)
Résoudre f′(x) = 0
x = 2 ou x = 4
Lequel est lequel
f″(x) = 6x − 18 : négative en un maximum, positive en un minimum.
f″(2) = −6, f″(4) = 6
x = 2
Réponse
x = 2
7.Méthodes numériques
Réponse: T = 1,002
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: y3 = 1,892
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.