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 pièce d’acier forgé à 360 °C refroidit dans un atelier à 23 °C. Au bout de 57 min, sa température est de 131 °C. Elle suit la loi de refroidissement de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Trouvez la constante k en min⁻¹.
T0 = 360 °CTa = 23 °CT(57) = 131 °C
k = min⁻¹
2.Équations différentiellesDifficile
Un système obéit à y″ + 4y′ + 13y = 65 pour t ≥ 0, à partir du repos : y(0) = 0, y′(0) = 0. Trouvez la valeur de pic ymax de sa réponse indicielle.
y″ + 4y′ + 13y = 65y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.IntégralesMoyen
Calcule I = ∫01 e2x dx.
f(x) = e2x[0, 1]
I =
4.IntégralesDifficile
La région entre la droite y = 2x et la parabole y = x² tourne autour de l’axe des x. Trouvez le volume V du solide.
y = 2xy = x²
V =
5.DérivéesMoyen
Soit f(x) = x·sin(3x), avec x en radians. Calcule f′(1,5).
f(x) = x·sin(3x)x = 1,5 rad
f′(1.5) =
6.DérivéesDifficile
Soit f(x) = x3 + 7,5x2 + 18x − 4. Trouve l'abscisse x du maximum local.
f(x) = x3 + 7,5x2 + 18x − 4
x =
7.Méthodes numériquesMoyen
Approchez ∫02 eˣ dx par la méthode des trapèzes, n = 4, et comparez avec la valeur exacte. Trouvez l’erreur absolue |E| = |T − I|.
f(x) = eˣ[a, b] = [0, 2]n = 4
|E| =
8.Méthodes numériquesDifficile
Utilisez la méthode d’Euler avec h = 0,5 pour y′ = cos t − y, y(0) = 3 afin d’estimer y4 ≈ y(2).
y′ = cos t − yy(0) = 3h = 0,5
y4 =
3Solutions
1.Équations différentielles
Réponse: k = 0,01996 min⁻¹
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.
Rapport des écarts de température
e−57k = 108/337
Résoudre pour k
k = ln(337/108)/57 = 0,01996 min⁻¹
Réponse
k = 0,01996 min⁻¹
2.Équations différentielles
Réponse: ymax = 5,616
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.
Valeur stationnaire et racines
yss = 5, r = −2 ± 3j
Constantes à partir des valeurs initiales
y(0) = 5 + A = 0 → A = −5
y′(0) = −2A + 3B = 0 → B = −3,333
Pic
t = π/3 = 1,047
ymax = 5·(1 + e−2·π/3) = 5,616
Réponse
ymax = 5,616
3.Intégrales
Réponse: I = 3,195
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.
Primitive
F(x) = e2x/2
Évaluer aux bornes
I = (e2 − 1)/2 = (7,389 − 1)/2 = 3,195
Réponse
I = 3,195
4.Intégrales
Réponse: V = 13,4
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 = 1x² → x = 0, x = 2
Méthode des rondelles
V = π∫₀2 ((2x)² − (1x²)²) dx
Intégrer
V = π(4·2³/3 − 1·2⁵/5) = π·4,267 = 13,4
Réponse
V = 13,4
5.Dérivées
Réponse: f′(1.5) = −1,926
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 et en chaîne
f′(x) = sin(3x) + 3x·cos(3x)
Remplacer
f′(1,5) = −0,9775 + 4,5·(−0,2108) = −1,926
Réponse
f′(1,5) = −1,926
6.Dérivées
Réponse: x = −3
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 + 15x + 18 = 3·(x2 + 5x + 6)
Résoudre f′(x) = 0
x = −3 ou x = −2
Lequel est lequel
f″(x) = 6x + 15 : négative en un maximum, positive en un minimum.
f″(−3) = −3, f″(−2) = 3
x = −3
Réponse
x = −3
7.Méthodes numériques
Réponse: |E| = 0,1326
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.
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.