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 25 °C. Au bout de 26 min, sa température est de 314 °C. Elle suit la loi de refroidissement de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Trouvez la constante k en min⁻¹.
T0 = 400 °CTa = 25 °CT(26) = 314 °C
k = min⁻¹
2.Équations différentiellesDifficile
Résolvez y″ + 2y′ + 26y = 0 avec y(0) = 2 et y′(0) = 0 (lâché sans vitesse initiale). Trouvez y(1,5) ; angles en radians.
y″ + 2y′ + 26y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(1.5) =
3.IntégralesMoyen
Calcule I = ∫02 2x·(x² + 1)1 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)1[0, 2]
I =
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) = x·sin(3x), avec x en radians. Calcule f′(1,5).
f(x) = x·sin(3x)x = 1,5 rad
f′(1.5) =
6.DérivéesDifficile
Soit f(x) = x3 − 7,5x2 + 18x − 5. Trouve l'abscisse x du maximum local.
f(x) = x3 − 7,5x2 + 18x − 5
x =
7.Méthodes numériquesMoyen
Approchez ∫03 √x·e−x dx par la méthode de Simpson avec n = 2 bandes. Donnez S.
f(x) = √x·e−x[a, b] = [0, 3]n = 2
S =
8.Méthodes numériquesDifficile
Faites un pas de la méthode de Runge–Kutta classique (RK4) avec h = 0,5 pour y′ = t² + y², y(0) = 1. Trouvez y₁ ≈ y(0,5).
y′ = t² + y²y(0) = 1h = 0,5
y1 =
3Solutions
1.Équations différentielles
Réponse: k = 0,01002 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−26k = 289/375
Résoudre pour k
k = ln(375/289)/26 = 0,01002 min⁻¹
Réponse
k = 0,01002 min⁻¹
2.Équations différentielles
Réponse: y(1.5) = 0,2384
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.
Racines complexes
r = −1 ± 5j
Constantes
A = 2, B = 1·2/5 = 0,4
Évaluer
y(1,5) = e−1,5(2·cos 7,5 + 0,4·sin 7,5) = 0,2384
Réponse
y(1,5) = 0,2384
3.Intégrales
Réponse: I = 12
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.
Changement de variable
u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫15 u1 du
Intégrer et évaluer
I = [u2/2]15 = (25 − 1)/2 = 12
Réponse
I = 12
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′(1.5) = −1,926
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 et en chaîne
f′(x) = sin(3x) + 3x·cos(3x)
Remplacer
f′(1,5) = −0,9775 + 4,5·(−0,2108) = −1,926
Réponse
f′(1,5) = −1,926
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 − 15x + 18 = 3·(x2 − 5x + 6)
Résoudre f′(x) = 0
x = 2 ou x = 3
Lequel est lequel
f″(x) = 6x − 15 : négative en un maximum, positive en un minimum.
f″(2) = −3, f″(3) = 3
x = 2
Réponse
x = 2
7.Méthodes numériques
Réponse: S = 0,5897
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 = 1,5
Σ wᵢfᵢ = 0 + 4·0,273278 + 0,0862337 = 1,179344
Méthode de Simpson
S = (1,5/3)·1,179344 = 0,5897
Réponse
S = 0,5897
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 = 2,055
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.