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″ + 8y′ + 16y = 0 avec y(0) = 3 et y′(0) = -1. Trouvez y(0,5).
y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 3y′(0) = -1
y(0.5) =
2.Équations différentiellesDifficile
Un système obéit à y″ + y′ + 4,25y = 42,5 pour t ≥ 0, à partir du repos : y(0) = 0, y′(0) = 0. Trouvez y(0,5) ; angles en radians.
y″ + y′ + 4,25y = 42,5y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.5) =
3.IntégralesMoyen
Calcule I = ∫01 e−0,5x dx.
f(x) = e−0,5x[0, 1]
I =
4.IntégralesDifficile
La région entre la droite y = 2x et la parabole y = 0,5x² tourne autour de l’axe des x. Trouvez le volume V du solide.
y = 2xy = 0,5x²
V =
5.DérivéesMoyen
Soit f(x) = (4x − 1)3. Calcule f′(2).
f(x) = (4x − 1)3x = 2
f′(2) =
6.DérivéesDifficile
La tangente à f(x) = x2 − 4x − 1 en x = 1 coupe l'axe des y en y = b. Trouve b.
f(x) = x2 − 4x − 1x = 1
b =
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, y(0) = 1 avec la méthode d’Euler et le pas h = 0,25 jusqu’à t = 1. La solution exacte est y = y₀e−t. Trouvez l’erreur globale |E| = |y(1) − y4|.
y′ = −yy(0) = 1h = 0,25
|E| =
3Solutions
1.Équations différentielles
Réponse: y(0.5) = 1,15
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 + 4)² = 0 → r = −4
Constantes
A = y(0) = 3
y′(0) = B − 4A → B = -1 + 12 = 11
Évaluer
y(0,5) = (3 + 11·0,5)·e−2 = 1,15
Réponse
y(0,5) = 1,15
2.Équations différentielles
Réponse: y(0.5) = 4,154
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.
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.
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.
Points d'intersection
2x = 0,5x² → x = 0, x = 4
Méthode des rondelles
V = π∫₀4 ((2x)² − (0,5x²)²) dx
Intégrer
V = π(4·4³/3 − 0,25·4⁵/5) = π·34,13 = 107,2
Réponse
V = 107,2
5.Dérivées
Réponse: f′(2) = 588
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) = 3·(4x − 1)2·4
Remplacer
f′(2) = 3·72·4 = 588
Réponse
f′(2) = 588
6.Dérivées
Réponse: b = −2
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) = −4
f′(x) = 2x − 4 → f′(1) = −2
Tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −4 − (−2)·1 = −2
Réponse
b = −2
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| = 0,05147
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
y4 = 0,316406
Valeur exacte
y(1) = 0,367879
Erreur globale
|E| = |0,367879 − 0,316406| = 0,05147
Graphique
Réponse
|E| = 0,05147
Diviser h par deux divise à peu près par deux l’erreur de la méthode d’Euler.