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 canette de soda à 6 °C est sortie du réfrigérateur dans une pièce à 24 °C. Elle suit la loi de refroidissement de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Avec k = 0,1 min⁻¹, trouvez sa température T au bout de 13 min.
T0 = 6 °CTa = 24 °Ck = 0,1 min⁻¹t = 13 min
T = °C
2.Équations différentiellesDifficile
Une cuve contient 400 L d’eau pure. De la saumure contenant 0,2 kg de sel par litre entre à 5 L/min, et la solution bien mélangée sort au même débit. Quelle quantité de sel m la cuve contient-elle au bout de 40 min ?
V = 400 Lm0 = 0 kgc = 0,2 kg/Lr = 5 L/min
m = kg
3.IntégralesMoyen
La région sous y = √(x) de x = 0 à x = 3 tourne autour de l’axe des x. Trouvez le volume V du solide (un paraboloïde).
y = √(x)0 ≤ x ≤ 3
V =
4.IntégralesDifficile
Calculez I = ∫₀2 x²·eˣ dx.
∫₀2 x²eˣ dx
I =
5.DérivéesMoyen
Soit f(x) = ln(2x2 + 5). Calcule f′(1).
f(x) = ln(2x2 + 5)x = 1
f′(1) =
6.DérivéesDifficile
La tangente à f(x) = 2x2 − 2x − 6 en x = −2 coupe l'axe des y en y = b. Trouve b.
f(x) = 2x2 − 2x − 6x = −2
b =
7.Méthodes numériquesMoyen
La vitesse d’un véhicule est mesurée toutes les 1 s (tableau). Estimez la distance s parcourue de t = 0 à t = 4 s avec la méthode de Simpson.
h = 1 sn = 4
s = m
8.Méthodes numériquesDifficile
Faites un pas de la méthode de Runge–Kutta classique (RK4) avec h = 0,5 pour y′ = t² + y², y(0) = 0. Trouvez y₁ ≈ y(0,5).
y′ = t² + y²y(0) = 0h = 0,5
y1 =
3Solutions
1.Équations différentielles
Réponse: T = 19,09 °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) = 24 + (−18)·e−0,1t
Remplacer t
T(13) = 24 + (−18)·0,2725 = 19,09 °C
Réponse
T = 19,09 °C
2.Équations différentielles
Réponse: m = 31,48 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 = 5·0,2 − (5/400)·m = 1 − 0,0125·m
Résoudre
Le facteur intégrant est ert/V ; la solution tend vers l’équilibre c·V.
m(t) = 80 + (−80)·e−t/80
Remplacer t
m(40) = 80 + (−80)·0,6065 = 31,48 kg
Réponse
m = 31,48 kg
3.Intégrales
Réponse: V = 14,14
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∫₀3 x dx
Intégrer
V = π·1·3²/2 = 14,14
Réponse
V = 14,14
4.Intégrales
Réponse: I = 12,78
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
7,389·(2) − 1·2 = 12,78
Réponse
I = 12,78
5.Dérivées
Réponse: f′(1) = 0,5714
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 du logarithme
f′(x) = 4x/(2x2 + 5)
Remplacer
f′(1) = 4/7 = 0,5714
Réponse
f′(1) = 0,5714
6.Dérivées
Réponse: b = −14
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) = 6
f′(x) = 4x − 2 → f′(−2) = −10
Tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 6 − (−10)·(−2) = −14
Réponse
b = −14
7.Méthodes numériques
Réponse: s = 24,33 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
1 + 4·6 + 2·4 + 4·7 + 12 = 73
Méthode de Simpson
s = (1/3)·73 = 24,33 m
Réponse
s = 24,33 m
8.Méthodes numériques
Réponse: y1 = 0,04179
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.