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′ + 9y = 0 avec y(0) = 2 et y′(0) = -1. Trouvez y(2).
y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 2y′(0) = -1
y(2) =
2.Équations différentiellesDifficile
Une cuve contient 1000 L d’eau dans laquelle 10 kg de sel sont dissous. De la saumure contenant 0,05 kg de sel par litre entre à 2 L/min, et la solution bien mélangée sort au même débit. Quelle quantité de sel m la cuve contient-elle au bout de 65 min ?
V = 1000 Lm0 = 10 kgc = 0,05 kg/Lr = 2 L/min
m = kg
3.IntégralesMoyen
Calcule I = ∫01 2x·(x² + 1)3 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)3[0, 1]
I =
4.IntégralesDifficile
Calcule l'aire A du domaine délimité par y = 2x2 et y = 2x.
y = 2x2y = 2x
A =
5.DérivéesMoyen
Soit f(x) = x·sin(2x), avec x en radians. Calcule f′(1).
f(x) = x·sin(2x)x = 1 rad
f′(1) =
6.DérivéesDifficile
Soit f(x) = x3 − 3x − 6. Trouve l'abscisse x du minimum local.
f(x) = x3 − 3x − 6
x =
7.Méthodes numériquesMoyen
La méthode des trapèzes est utilisée pour ∫02 x³ 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 0,0001.
f(x) = x³[a, b] = [0, 2]ε = 0,0001
n =
8.Méthodes numériquesDifficile
Résolvez y′ = t − y, y(0) = 0,5 avec la méthode d’Euler et le pas h = 0,5 jusqu’à t = 2,5. La solution exacte est y = t − 1 + (y₀ + 1)e−t. Trouvez l’erreur globale |E| = |y(2,5) − y5|.
y′ = t − yy(0) = 0,5h = 0,5
|E| =
3Solutions
1.Équations différentielles
Réponse: y(2) = 0,02975
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 + 3)² = 0 → r = −3
Constantes
A = y(0) = 2
y′(0) = B − 3A → B = -1 + 6 = 5
Évaluer
y(2) = (2 + 5·2)·e−6 = 0,02975
Réponse
y(2) = 0,02975
2.Équations différentielles
Réponse: m = 14,88 kg
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.
Mettre en équation
dm/dt = 2·0,05 − (2/1000)·m = 0,1 − 0,002·m
Résoudre
Le facteur intégrant est ert/V ; la solution tend vers l’équilibre c·V.
m(t) = 50 + (−40)·e−t/500
Remplacer t
m(65) = 50 + (−40)·0,8781 = 14,88 kg
Réponse
m = 14,88 kg
3.Intégrales
Réponse: I = 3,75
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 = ∫12 u3 du
Intégrer et évaluer
I = [u4/4]12 = (16 − 1)/4 = 3,75
Réponse
I = 3,75
4.Intégrales
Réponse: A = 0,3333
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
2x2 = 2x → x = 0, x = 1
Intégrer la haute moins la basse
A = [x2 − 0,6667x3]01 = 0,3333
Réponse
A = 0,3333
5.Dérivées
Réponse: f′(1) = 0,077
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(2x) + 2x·cos(2x)
Remplacer
f′(1) = 0,9093 + 2·(−0,4161) = 0,077
Réponse
f′(1) = 0,077
6.Dérivées
Réponse: x = 1
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 − 3 = 3·(x2 − 1)
Résoudre f′(x) = 0
x = −1 ou x = 1
Lequel est lequel
f″(x) = 6x : négative en un maximum, positive en un minimum.
f″(−1) = −6, f″(1) = 6
x = 1
Réponse
x = 1
7.Méthodes numériques
Réponse: n = 283
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 = 6·2 = 12
Résoudre pour n
n² > 8·12/(12·0,0001) = 80000
n > 282,8 → n = 283
Réponse
n = 283
8.Méthodes numériques
Réponse: |E| = 0,07625
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
y5 = 1,546875
Valeur exacte
y(2,5) = 1,623127
Erreur globale
|E| = |1,623127 − 1,546875| = 0,07625
Graphique
Réponse
|E| = 0,07625
Diviser h par deux divise à peu près par deux l’erreur de la méthode d’Euler.