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) = 3 et y′(0) = 1. Trouvez y(2).
y″ + 2y′ + y = 0y(0) = 3y′(0) = 1
y(2) =
2.Équations différentiellesDifficile
Un système obéit à y″ + y′ + 25,25y = 25,25 pour t ≥ 0, à partir du repos : y(0) = 0, y′(0) = 0. Trouvez y(1,5) ; angles en radians.
y″ + y′ + 25,25y = 25,25y(0) = 0y′(0) = 0
y(1.5) =
3.IntégralesMoyen
Calculez I = ∫₁2,5 x·ln x dx.
∫₁2,5 x ln x dx
I =
4.IntégralesDifficile
Calcule l'aire A du domaine délimité par y = 2x2 et y = x.
y = 2x2y = x
A =
5.DérivéesMoyen
Soit f(x) = (−2x + 3)4. Calcule f′(−1).
f(x) = (−2x + 3)4x = −1
f′(−1) =
6.DérivéesDifficile
La tangente à f(x) = 2x2 − 5x − 5 en x = −1 coupe l'axe des y en y = b. Trouve b.
f(x) = 2x2 − 5x − 5x = −1
b =
7.Méthodes numériquesMoyen
Approchez ∫02 1/√(1 + x⁴) dx par la méthode de Simpson avec n = 6 bandes. Donnez S.
f(x) = 1/√(1 + x⁴)[a, b] = [0, 2]n = 6
S =
8.Méthodes numériquesDifficile
Utilisez la méthode de Heun (Euler amélioré) avec h = 0,2 pour y′ = −2ty, y(0) = −1 afin d’estimer y2 ≈ y(0,4).
y′ = −2tyy(0) = −1h = 0,2
y2 =
3Solutions
1.Équations différentielles
Réponse: y(2) = 1,489
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) = 3
y′(0) = B − 1A → B = 1 + 3 = 4
Évaluer
y(2) = (3 + 4·2)·e−2 = 1,489
Réponse
y(2) = 1,489
2.Équations différentielles
Réponse: y(1.5) = 0,792
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.
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.
Choisir u et dv
u = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2
Primitive
∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4
Limites
(3,125·ln 2,5 − 1,5625) − (0 − 0,25) = 1,551
Réponse
I = 1,551
4.Intégrales
Réponse: A = 0,04167
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 = x → x = 0, x = 0,5
Intégrer la haute moins la basse
A = [0,5x2 − 0,6667x3]00,5 = 0,04167
Réponse
A = 0,04167
5.Dérivées
Réponse: f′(−1) = −1000
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) = 4·(−2x + 3)3·(−2)
Remplacer
f′(−1) = 4·53·(−2) = −1000
Réponse
f′(−1) = −1000
6.Dérivées
Réponse: b = −7
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) = 2
f′(x) = 4x − 5 → f′(−1) = −9
Tangente en x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 2 − (−9)·(−1) = −7
Réponse
b = −7
7.Méthodes numériques
Réponse: S = 1,357
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.
Cette intégrale n’a pas de primitive élémentaire, ce qui est exactement le cas où une méthode numérique est nécessaire.
8.Méthodes numériques
Réponse: y2 = −0,8509
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.