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″ + 2y′ + y = 0 avec y(0) = 1 et y′(0) = -1. Trouvez y(1).
y″ + 2y′ + y = 0y(0) = 1y′(0) = -1
y(1) =
2.Équations différentiellesDifficile
Résolvez le problème de Cauchy y′ + 3y/x = 6x pour x > 0, avec y(1) = −3. Trouvez y(3).
y′ + 3y/x = 6xy(1) = −3
y(3) =
3.IntégralesMoyen
Calculez I = ∫₁4 x·ln x dx.
∫₁4 x ln x dx
I =
4.IntégralesDifficile
Calcule l'aire A du domaine délimité par y = x2 et y = x.
y = x2y = x
A =
5.DérivéesMoyen
Soit f(x) = (4x − 1)4. Calcule f′(2).
f(x) = (4x − 1)4x = 2
f′(2) =
6.DérivéesDifficile
La tangente à f(x) = 3x2 + 4x − 6 en x = −1 coupe l'axe des y en y = b. Trouve b.
f(x) = 3x2 + 4x − 6x = −1
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′ = t + y, y(0) = 1 avec la méthode d’Euler et le pas h = 0,2 jusqu’à t = 0,6. La solution exacte est y = −t − 1 + (y₀ + 1)eᵗ. Trouvez l’erreur globale |E| = |y(0,6) − y3|.
y′ = t + yy(0) = 1h = 0,2
|E| =
3Solutions
1.Équations différentielles
Réponse: y(1) = 0,3679
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.
Racine double
(r + 1)² = 0 → r = −1
Constantes
A = y(0) = 1
y′(0) = B − 1A → B = -1 + 1 = 0
Évaluer
y(1) = (1 + 0·1)·e−1 = 0,3679
Réponse
y(1) = 0,3679
2.Équations différentielles
Réponse: y(3) = 10,64
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)′ = 6x4 → x3y = 6x5/5 + C
Condition initiale
−3 = 6/5 + C → C = −4,2
Évaluer
y(3) = (6·35/5 + (−4,2))/33 = 10,64
Réponse
y(3) = 10,64
3.Intégrales
Réponse: I = 7,34
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 = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2
Primitive
∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4
Limites
(8·ln 4 − 4) − (0 − 0,25) = 7,34
Réponse
I = 7,34
4.Intégrales
Réponse: A = 0,1667
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 = x → x = 0, x = 1
Intégrer la haute moins la basse
A = [0,5x2 − 0,3333x3]01 = 0,1667
Réponse
A = 0,1667
5.Dérivées
Réponse: f′(2) = 5488
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) = 4·(4x − 1)3·4
Remplacer
f′(2) = 4·73·4 = 5488
Réponse
f′(2) = 5488
6.Dérivées
Réponse: b = −9
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(−1) = −7
f′(x) = 6x + 4 → f′(−1) = −2
Tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −7 − (−2)·(−1) = −9
Réponse
b = −9
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| = 0,1882
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 = 1,856
Valeur exacte
y(0,6) = 2,044238
Erreur globale
|E| = |2,044238 − 1,856| = 0,1882
Graphique
Réponse
|E| = 0,1882
Diviser h par deux divise à peu près par deux l’erreur de la méthode d’Euler.