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 22 °C. Elle suit la loi de refroidissement de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Avec k = 0,07 min⁻¹, trouvez sa température T au bout de 7 min.
La région sous y = 0,5x de x = 0 à x = 4 tourne autour de l’axe des x. Trouvez le volume V du solide (un cône).
y = 0,5x0 ≤ x ≤ 4
V =
4.IntégralesDifficile
Calculez I = ∫₀1,5 x²·eˣ dx.
∫₀1,5 x²eˣ dx
I =
5.DérivéesMoyen
Soit f(x) = x·e−x. Calcule f′(2).
f(x) = x·e−xx = 2
f′(2) =
6.DérivéesDifficile
La tangente à f(x) = 2x2 + 3x − 1 en x = −2 coupe l'axe des y en y = b. Trouve b.
f(x) = 2x2 + 3x − 1x = −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 1 × 10⁻⁵.
f(x) = sin x[a, b] = [0, 2]ε = 1 × 10⁻⁵
n =
8.Méthodes numériquesDifficile
Résolvez y′ = 1,5y, y(0) = −1 avec la méthode d’Euler et le pas h = 0,1 jusqu’à t = 0,3. La solution exacte est y = y₀e1,5t. Trouvez l’erreur globale |E| = |y(0,3) − y3|.
y′ = 1,5yy(0) = −1h = 0,1
|E| =
3Solutions
1.Équations différentielles
Réponse: T = 66,72 °C
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.
Solution de la loi de refroidissement
T(t) = 22 + 73·e−0,07t
Remplacer t
T(7) = 22 + 73·0,6126 = 66,72 °C
Réponse
T = 66,72 °C
2.Équations différentielles
Réponse: y(1.5) = 1,856
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 = e3t
(e3ty)′ = 10e2,5t
Solution générale
y = 10/2,5·e−0,5t + C·e−3t = 4·e−0,5t + C·e−3t
Condition initiale
1 = 4 + C → C = −3
Évaluer
y(1,5) = 4·0,4724 + (−3)·0,01111 = 1,856
Réponse
y(1,5) = 1,856
3.Intégrales
Réponse: V = 16,76
Volumes de révolution : la rotation autour de l’axe des x de la région sous y = f(x), de x = a à x = b, engendre un solide dont la section en x est un disque de rayon f(x). La somme des disques donne V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Lorsque la région est comprise entre une courbe extérieure R(x) et une courbe intérieure r(x), chaque tranche est une rondelle : V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Élevez les rayons au carré avant de les soustraire.
Méthode des disques
V = π∫₀4 0,25x² dx
Intégrer
V = π·0,25·4³/3 = 16,76
Réponse
V = 16,76
Vérification : un cône de rayon 2 et de hauteur 4 a (1/3)πr²h = 16,76.
4.Intégrales
Réponse: I = 3,602
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.
Première étape
∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx
Deuxième étape
∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)
Limites
4,482·(1,25) − 1·2 = 3,602
Réponse
I = 3,602
5.Dérivées
Réponse: f′(2) = −0,1353
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′ = e−x·(1 + (−1)·x)
Remplacer
f′(2) = 0,1353·(1 + (−2)) = −0,1353
Réponse
f′(2) = −0,1353
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(−2) = 1
f′(x) = 4x + 3 → f′(−2) = −5
Tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 1 − (−5)·(−2) = −9
Réponse
b = −9
7.Méthodes numériques
Réponse: n = 259
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/(12·1 × 10⁻⁵) = 66667
n > 258,2 → n = 259
Réponse
n = 259
8.Méthodes numériques
Réponse: |E| = 0,04744
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 = −1,520875
Valeur exacte
y(0,3) = −1,568312
Erreur globale
|E| = |−1,568312 + 1,520875| = 0,04744
Graphique
Réponse
|E| = 0,04744
Diviser h par deux divise à peu près par deux l’erreur de la méthode d’Euler.