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) = 2 et y′(0) = 2. Trouvez y(1,5).
y″ + 2y′ + y = 0y(0) = 2y′(0) = 2
y(1.5) =
2.Équations différentiellesDifficile
Résolvez le problème de Cauchy y′ + 2y/x = 5x2 pour x > 0, avec y(1) = −3. Trouvez y(3).
y′ + 2y/x = 5x2y(1) = −3
y(3) =
3.IntégralesMoyen
La région sous y = √(x) de x = 0 à x = 2 tourne autour de l’axe des x. Trouvez le volume V du solide (un paraboloïde).
y = √(x)0 ≤ x ≤ 2
V =
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) = ln(2x2 + 5). Calcule f′(3).
f(x) = ln(2x2 + 5)x = 3
f′(3) =
6.DérivéesDifficile
Soit f(x) = x3 − 6x2 + 9x + 5. Trouve l'abscisse x du maximum local.
f(x) = x3 − 6x2 + 9x + 5
x =
7.Méthodes numériquesMoyen
Approchez ∫01 x³ dx par la méthode des trapèzes, n = 2, et comparez avec la valeur exacte. Trouvez l’erreur absolue |E| = |T − I|.
f(x) = x³[a, b] = [0, 1]n = 2
|E| =
8.Méthodes numériquesDifficile
Résolvez y′ = y(2 − y), y(0) = 1 avec la méthode d’Euler et le pas h = 0,5 jusqu’à t = 2,5. La solution exacte est y = 2y₀/(y₀ + (2 − y₀)e−2t). Trouvez l’erreur globale |E| = |y(2,5) − y5|.
y′ = y(2 − y)y(0) = 1h = 0,5
|E| =
3Solutions
1.Équations différentielles
Réponse: y(1.5) = 1,785
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) = 2
y′(0) = B − 1A → B = 2 + 2 = 4
Évaluer
y(1,5) = (2 + 4·1,5)·e−1,5 = 1,785
Réponse
y(1,5) = 1,785
2.Équations différentielles
Réponse: y(3) = 26,56
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∫2/x dx = x2
Intégrer
(x2y)′ = 5x4 → x2y = 5x5/5 + C
Condition initiale
−3 = 5/5 + C → C = −4
Évaluer
y(3) = (5·35/5 + (−4))/32 = 26,56
Réponse
y(3) = 26,56
3.Intégrales
Réponse: V = 6,283
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∫₀2 x dx
Intégrer
V = π·1·2²/2 = 6,283
Réponse
V = 6,283
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′(3) = 0,5217
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′(3) = 12/23 = 0,5217
Réponse
f′(3) = 0,5217
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 − 12x + 9 = 3·(x2 − 4x + 3)
Résoudre f′(x) = 0
x = 1 ou x = 3
Lequel est lequel
f″(x) = 6x − 12 : négative en un maximum, positive en un minimum.
f″(1) = −6, f″(3) = 6
x = 1
Réponse
x = 1
7.Méthodes numériques
Réponse: |E| = 0,0625
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.
Valeur exacte
I = 0,25
Méthode des trapèzes
T = (0,5/2)·(0 + 2·0,125 + 1) = 0,3125
Erreur
|E| = |0,3125 − 0,25| = 0,0625
Réponse
|E| = 0,0625
Erreur relative : 25 %.
8.Méthodes numériques
Réponse: |E| = 0,01339
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 = 2
Valeur exacte
y(2,5) = 1,986614
Erreur globale
|E| = |1,986614 − 2| = 0,01339
Graphique
Réponse
|E| = 0,01339
Diviser h par deux divise à peu près par deux l’erreur de la méthode d’Euler.