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″ + 6y′ + 8y = 0 avec y(0) = 1 et y′(0) = 2. Trouvez y(1).
y″ + 6y′ + 8y = 0y(0) = 1y′(0) = 2
y(1) =
2.Équations différentiellesDifficile
Résolvez le problème de Cauchy y′ + 3y/x = 3x2 pour x > 0, avec y(1) = −3. Trouvez y(3).
y′ + 3y/x = 3x2y(1) = −3
y(3) =
3.IntégralesMoyen
Calcule I = ∫26 4/x dx.
f(x) = 4/x[2, 6]
I =
4.IntégralesDifficile
Calcule l'aire A du domaine délimité par y = 0,5x2 et y = x.
y = 0,5x2y = x
A =
5.DérivéesMoyen
Soit f(x) = (4x + 3)3. Calcule f′(0).
f(x) = (4x + 3)3x = 0
f′(0) =
6.DérivéesDifficile
La tangente à f(x) = 2x2 − 3x − 2 en x = 2 coupe l'axe des y en y = b. Trouve b.
f(x) = 2x2 − 3x − 2x = 2
b =
7.Méthodes numériquesMoyen
La vitesse d’un véhicule est mesurée toutes les 2 s (tableau). Estimez la distance s parcourue de t = 0 à t = 8 s avec la méthode des trapèzes.
h = 2 sn = 4
s = m
8.Méthodes numériquesDifficile
Faites un pas de la méthode de Runge–Kutta classique (RK4) avec h = 0,2 pour y′ = t² + y², y(0) = 0,5. Trouvez y₁ ≈ y(0,2).
y′ = t² + y²y(0) = 0,5h = 0,2
y1 =
3Solutions
1.Équations différentielles
Réponse: y(1) = 0,3694
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 + 2)(r + 4) = 0 → r = −2, −4
Constantes à partir des valeurs initiales
A + B = 1, −2A − 4B = 2
A = 3, B = −2
Évaluer
y(1) = 3·e−2 + (−2)·e−4 = 0,3694
Réponse
y(1) = 0,3694
2.Équations différentielles
Réponse: y(3) = 13,37
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.
Facteur intégrant
μ = e∫3/x dx = x3
Intégrer
(x3y)′ = 3x5 → x3y = 3x6/6 + C
Condition initiale
−3 = 3/6 + C → C = −3,5
Évaluer
y(3) = (3·36/6 + (−3,5))/33 = 13,37
Réponse
y(3) = 13,37
3.Intégrales
Réponse: I = 4,394
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) = 4·ln x
Évaluer aux bornes
I = 4·(ln 6 − ln 2) = 4·ln 3 = 4,394
Réponse
I = 4,394
4.Intégrales
Réponse: A = 0,6667
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 = x → x = 0, x = 2
Intégrer la haute moins la basse
A = [0,5x2 − 0,1667x3]02 = 0,6667
Réponse
A = 0,6667
5.Dérivées
Réponse: f′(0) = 108
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) = 3·(4x + 3)2·4
Remplacer
f′(0) = 3·32·4 = 108
Réponse
f′(0) = 108
6.Dérivées
Réponse: b = −10
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) = 0
f′(x) = 4x − 3 → f′(2) = 5
Tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 0 − 5·2 = −10
Réponse
b = −10
7.Méthodes numériques
Réponse: s = 99 m
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.
Somme pondérée
7 + 2·7 + 2·13 + 2·16 + 20 = 99
Méthode des trapèzes
s = (2/2)·99 = 99 m
Réponse
s = 99 m
8.Méthodes numériques
Réponse: y1 = 0,5584
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.