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 81 °C est laissée dans une pièce à 18 °C. Elle suit la loi de refroidissement de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Avec k = 0,1 min⁻¹, trouvez sa température T au bout de 29 min.
T0 = 81 °CTa = 18 °Ck = 0,1 min⁻¹t = 29 min
T = °C
2.Équations différentiellesDifficile
Résolvez y″ + 4y′ + 13y = 0 avec y(0) = 2 et y′(0) = 0 (lâché sans vitesse initiale). Trouvez y(0,75) ; angles en radians.
y″ + 4y′ + 13y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(0.75) =
3.IntégralesMoyen
Calcule I = ∫28 2/x dx.
f(x) = 2/x[2, 8]
I =
4.IntégralesDifficile
Calculez I = ∫₀2 x²·eˣ dx.
∫₀2 x²eˣ dx
I =
5.DérivéesMoyen
Soit f(x) = x3·e0,5x. Calcule f′(1,5).
f(x) = x3·e0,5xx = 1,5
f′(1.5) =
6.DérivéesDifficile
La tangente à f(x) = 2x2 − 5x + 5 en x = 3 coupe l'axe des y en y = b. Trouve b.
f(x) = 2x2 − 5x + 5x = 3
b =
7.Méthodes numériquesMoyen
Approchez ∫01 √(1 + x³) dx par la méthode de Simpson avec n = 2 bandes. Donnez S.
f(x) = √(1 + x³)[a, b] = [0, 1]n = 2
S =
8.Méthodes numériquesDifficile
Utilisez la méthode d’Euler avec h = 0,5 pour y′ = y(2 − y), y(0) = 1 afin d’estimer y4 ≈ y(2).
y′ = y(2 − y)y(0) = 1h = 0,5
y4 =
3Solutions
1.Équations différentielles
Réponse: T = 21,47 °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) = 18 + 63·e−0,1t
Remplacer t
T(29) = 18 + 63·0,05502 = 21,47 °C
Réponse
T = 21,47 °C
2.Équations différentielles
Réponse: y(0.75) = −0,04885
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.
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.
Primitive
F(x) = 2·ln x
Évaluer aux bornes
I = 2·(ln 8 − ln 2) = 2·ln 4 = 2,773
Réponse
I = 2,773
4.Intégrales
Réponse: I = 12,78
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
7,389·(2) − 1·2 = 12,78
Réponse
I = 12,78
5.Dérivées
Réponse: f′(1.5) = 17,86
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
f′(x) = u′v + uv′ = e0,5x·(3x2 + 0,5·x3)
Remplacer
f′(1,5) = 2,117·(6,75 + 1,688) = 17,86
Réponse
f′(1,5) = 17,86
6.Dérivées
Réponse: b = −13
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) = 8
f′(x) = 4x − 5 → f′(3) = 7
Tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 8 − 7·3 = −13
Réponse
b = −13
7.Méthodes numériques
Réponse: S = 1,109
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 = 0,5
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·1,06066 + 1,414214 = 6,656854
Méthode de Simpson
S = (0,5/3)·6,656854 = 1,109
Réponse
S = 1,109
Cette intégrale n’a pas de primitive élémentaire, ce qui est exactement le cas où une méthode numérique est nécessaire.
8.Méthodes numériques
Réponse: y4 = 2
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.