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
Résolvez y″ + 5y′ + 4y = 0 avec y(0) = 3 et y′(0) = 4. Trouvez y(0,5).
y″ + 5y′ + 4y = 0y(0) = 3y′(0) = 4
y(0.5) =
2.Équations différentiellesDifficile
Résolvez y″ + y′ + 16,25y = 0 avec y(0) = 1 et y′(0) = 0 (lâché sans vitesse initiale). Trouvez y(0,5) ; angles en radians.
y″ + y′ + 16,25y = 0y(0) = 1y′(0) = 0
y(0.5) =
3.IntégralesMoyen
Calcule I = ∫03 e2x dx.
f(x) = e2x[0, 3]
I =
4.IntégralesDifficile
Calcule l'aire A du domaine délimité par y = 0,5x2 et y = 4x.
y = 0,5x2y = 4x
A =
5.DérivéesMoyen
Soit f(x) = x·sin(x), avec x en radians. Calcule f′(1).
f(x) = x·sin(x)x = 1 rad
f′(1) =
6.DérivéesDifficile
La tangente à f(x) = 3x2 − 3x + 4 en x = −2 coupe l'axe des y en y = b. Trouve b.
f(x) = 3x2 − 3x + 4x = −2
b =
7.Méthodes numériquesMoyen
Approchez ∫02 sin(x²) dx par la méthode des trapèzes avec n = 2 bandes. Donnez T.
f(x) = sin(x²)[a, b] = [0, 2]n = 2
T =
8.Méthodes numériquesDifficile
Faites un pas de la méthode de Runge–Kutta classique (RK4) avec h = 0,5 pour y′ = t² + y², y(0) = 0,5. Trouvez y₁ ≈ y(0,5).
y′ = t² + y²y(0) = 0,5h = 0,5
y1 =
3Solutions
1.Équations différentielles
Réponse: y(0.5) = 2,919
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 caractéristiques
(r + 1)(r + 4) = 0 → r = −1, −4
Constantes à partir des valeurs initiales
A + B = 3, −1A − 4B = 4
A = 5,333, B = −2,333
Évaluer
y(0,5) = 5,333·e−0,5 + (−2,333)·e−2 = 2,919
Réponse
y(0,5) = 2,919
2.Équations différentielles
Réponse: y(0.5) = −0,2356
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 = −0,5 ± 4j
Constantes
A = 1, B = 0,5·1/4 = 0,125
Évaluer
y(0,5) = e−0,25(1·cos 2 + 0,125·sin 2) = −0,2356
Réponse
y(0,5) = −0,2356
3.Intégrales
Réponse: I = 201,2
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) = e2x/2
Évaluer aux bornes
I = (e6 − 1)/2 = (403,4 − 1)/2 = 201,2
Réponse
I = 201,2
4.Intégrales
Réponse: A = 42,67
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.
Points d'intersection
0,5x2 = 4x → x = 0, x = 8
Intégrer la haute moins la basse
A = [2x2 − 0,1667x3]08 = 42,67
Réponse
A = 42,67
5.Dérivées
Réponse: f′(1) = 1,382
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(x) + x·cos(x)
Remplacer
f′(1) = 0,8415 + 1·0,5403 = 1,382
Réponse
f′(1) = 1,382
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(−2) = 22
f′(x) = 6x − 3 → f′(−2) = −15
Tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 22 − (−15)·(−2) = −8
Réponse
b = −8
7.Méthodes numériques
Réponse: T = 0,4631
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
Σ wᵢfᵢ = 0 + 2·0,841471 − 0,756802 = 0,926139
Méthode des trapèzes
T = (1/2)·0,926139 = 0,4631
Réponse
T = 0,4631
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 = 0,716
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.