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 460 °C refroidit dans un atelier à 22 °C. Au bout de 60 min, sa température est de 262 °C. Elle suit la loi de refroidissement de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Combien de temps après le début, t, lui faut-il pour atteindre 130 °C ?
T0 = 460 °CTa = 22 °CT(60) = 262 °CT = 130 °C
t = min
2.Équations différentiellesDifficile
Une cuve contient 100 L d’eau dans laquelle 20 kg de sel sont dissous. De la saumure contenant 0,05 kg de sel par litre entre à 10 L/min, et la solution bien mélangée sort au même débit. Au bout de combien de minutes t la cuve contient-elle 11 kg de sel ?
V = 100 Lm0 = 20 kgc = 0,05 kg/Lr = 10 L/min
t = min
3.IntégralesMoyen
La région sous y = √(x) de x = 0 à x = 2 tourne autour de l’axe des x. Trouvez le volume V du solide (un paraboloïde).
y = √(x)0 ≤ x ≤ 2
V =
4.IntégralesDifficile
Calcule l'aire A du domaine délimité par y = x2 et y = 2x.
y = x2y = 2x
A =
5.DérivéesMoyen
Soit f(x) = x·e2x. Calcule f′(0,5).
f(x) = x·e2xx = 0,5
f′(0.5) =
6.DérivéesDifficile
La tangente à f(x) = x2 + 2x − 2 en x = 3 coupe l'axe des y en y = b. Trouve b.
f(x) = x2 + 2x − 2x = 3
b =
7.Méthodes numériquesMoyen
Approchez ∫01 1/√(1 + x⁴) dx par la méthode des trapèzes avec n = 2 bandes. Donnez T.
f(x) = 1/√(1 + x⁴)[a, b] = [0, 1]n = 2
T =
8.Méthodes numériquesDifficile
Utilisez la méthode de Heun (Euler amélioré) avec h = 0,25 pour y′ = t + y, y(0) = 3 afin d’estimer y2 ≈ y(0,5).
y′ = t + yy(0) = 3h = 0,25
y2 =
3Solutions
1.Équations différentielles
Réponse: t = 139,6 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.
Constante de refroidissement
k = ln(438/240)/60 = 0,01003 min⁻¹
Temps pour atteindre la valeur visée
t = ln(438/108)/0,01003 = 139,6 min
Réponse
t = 139,6 min
2.Équations différentielles
Réponse: t = 9,163 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) = 5 + 15·e−t/10
Résoudre pour t
e−t/10 = (5 − 11)/(5 − 20) = 0,4
t = 10·ln(2,5) = 9,163 min
Réponse
t = 9,163 min
3.Intégrales
Réponse: V = 6,283
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∫₀2 x dx
Intégrer
V = π·1·2²/2 = 6,283
Réponse
V = 6,283
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′(0.5) = 5,437
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′ = e2x·(1 + 2·x)
Remplacer
f′(0,5) = 2,718·(1 + 1) = 5,437
Réponse
f′(0,5) = 5,437
6.Dérivées
Réponse: b = −11
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) = 13
f′(x) = 2x + 2 → f′(3) = 8
Tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 13 − 8·3 = −11
Réponse
b = −11
7.Méthodes numériques
Réponse: T = 0,9118
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 + 2·0,970143 + 0,707107 = 3,647392
Méthode des trapèzes
T = (0,5/2)·3,647392 = 0,9118
Réponse
T = 0,9118
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 = 5,066
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.