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 95 °C est laissée dans une pièce à 24 °C. Au bout de 18 min, sa température est de 34 °C. Elle suit la loi de refroidissement de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Trouvez la constante k en min⁻¹.
T0 = 95 °CTa = 24 °CT(18) = 34 °C
k = min⁻¹
2.Équations différentiellesDifficile
Résolvez y″ + y′ + 16,25y = 0 avec y(0) = 3 et y′(0) = 0 (lâché sans vitesse initiale). Trouvez y(1,5) ; angles en radians.
y″ + y′ + 16,25y = 0y(0) = 3y′(0) = 0
y(1.5) =
3.IntégralesMoyen
Calculez I = ∫₀π/2 x·sin x dx (x en radians).
∫₀π/2 x·sin x dx
I =
4.IntégralesDifficile
Calcule l'aire A du domaine entre la parabole y = 1 − x² et l'axe des x.
y = 1 − x²
A =
5.DérivéesMoyen
Soit f(x) = x2·e0,5x. Calcule f′(0,5).
f(x) = x2·e0,5xx = 0,5
f′(0.5) =
6.DérivéesDifficile
La tangente à f(x) = −x2 − 3x + 3 en x = −2 coupe l'axe des y en y = b. Trouve b.
f(x) = −x2 − 3x + 3x = −2
b =
7.Méthodes numériquesMoyen
La méthode des trapèzes est utilisée pour ∫02 sin x dx. L’erreur est au plus (b − a)³·M/(12n²) avec M = max|f″| sur [0, 2]. Trouvez le plus petit nombre de bandes n qui garantit une erreur inférieure à 0,001.
f(x) = sin x[a, b] = [0, 2]ε = 0,001
n =
8.Méthodes numériquesDifficile
Résolvez y′ = 1,5y, y(0) = 3 avec la méthode d’Euler et le pas h = 0,25 jusqu’à t = 0,75. La solution exacte est y = y₀e1,5t. Trouvez l’erreur globale |E| = |y(0,75) − y3|.
y′ = 1,5yy(0) = 3h = 0,25
|E| =
3Solutions
1.Équations différentielles
Réponse: k = 0,1089 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−18k = 10/71
Résoudre pour k
k = ln(71/10)/18 = 0,1089 min⁻¹
Réponse
k = 0,1089 min⁻¹
2.Équations différentielles
Réponse: y(1.5) = 1,311
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 = 3, B = 0,5·3/4 = 0,375
Évaluer
y(1,5) = e−0,75(3·cos 6 + 0,375·sin 6) = 1,311
Réponse
y(1,5) = 1,311
3.Intégrales
Réponse: I = 1
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.
Choisir u et dv
u = x, du = dx; dv = sin x dx, v = −cos x
Primitive
∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x
Limites
(−π/2·cos π/2 + sin π/2) − (0 + 0) = 1
Réponse
I = 1
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.
Zéros
1 − x² = 0 → x = ±1
Intégrer
A = [1x − x³/3]−11 = 0,6667 − (−0,6667) = 1,333
Réponse
A = 1,333
5.Dérivées
Réponse: f′(0.5) = 1,445
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·(2x + 0,5·x2)
Remplacer
f′(0,5) = 1,284·(1 + 0,125) = 1,445
Réponse
f′(0,5) = 1,445
6.Dérivées
Réponse: b = 7
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) = 5
f′(x) = −2x − 3 → f′(−2) = 1
Tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 5 − 1·(−2) = 7
Réponse
b = 7
7.Méthodes numériques
Réponse: n = 26
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.
Majoration de la dérivée seconde
M = |sin(π/2)| = 1
Résoudre pour n
n² > 8·1/(12·0,001) = 666,7
n > 25,82 → n = 26
Réponse
n = 26
8.Méthodes numériques
Réponse: |E| = 1,442
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.
Pas d’Euler
y3 = 7,798828
Valeur exacte
y(0,75) = 9,240651
Erreur globale
|E| = |9,240651 − 7,798828| = 1,442
Graphique
Réponse
|E| = 1,442
Diviser h par deux divise à peu près par deux l’erreur de la méthode d’Euler.