Mathématiques pour l’ingénieur 2 : pack de révision

Formulaires, étapes clés de la méthode pour chaque thème et 16 exercices, avec les corrigés complets à la fin.

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1Formules et méthodes

Équations différentielles

Croissance/décroissance exponentielle
dy/dt = ky → y = y0ekt
Demi-vie
k = ln 2 / t½
Loi de refroidissement de Newton
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Facteur intégrant
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Cuve de mélange
dm/dt = r·c − (r/V)·m

Matrices et déterminants

déterminant 2×2
det = ad − bc
Inverse d’une matrice 2×2
A⁻¹ = (1/det)·[d −b; −c a]
Produit
(AB)ij = Σk AikBkj
Valeurs propres
det(A − λI) = 0
Règle de Cramer
xi = det(Ai)/det(A)

Vecteurs : produit scalaire et produit vectoriel

Norme
|a| = √(ax² + ay² + az²)
Vecteur unitaire
û = a/|a|
Composantes à partir d’un angle
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
Produit scalaire
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
Projection scalaire de a sur b
a·b/|b|
Travail
W = F·d
Produit vectoriel
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
Aires
parallélogramme |a × b|, triangle ½|a × b|
Moment par rapport à O
MO = r × F, r = A − O
Volume d’un parallélépipède
V = |a·(b × c)|

Méthode

  1. Écrivez chaque vecteur en composantes ; pour une force donnée par une norme et un angle, utilisez F·cos θ et F·sin θ.
  2. Pour les longueurs et les directions, utilisez la norme √(x² + y² + z²) et le vecteur unitaire a/|a|.
  3. Utilisez le produit scalaire pour les angles, les projections, la perpendicularité et le travail : a·b = |a||b|cos θ.
  4. Utilisez le produit vectoriel pour les vecteurs perpendiculaires, les aires et les moments : écrivez soigneusement les trois composantes, en gardant l’ordre a × b.

Intégrales

Règle des puissances
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Intégrale définie
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Primitives usuelles
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Aire entre deux courbes
∫ab (f − g) dx

Méthode

  1. Réécrivez l’intégrande comme une somme de termes simples si possible.
  2. Appliquez la règle des puissances : ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), et les primitives usuelles de ex, 1/x, sin et cos.
  3. Utilisez un changement de variable quand une fonction et sa dérivée apparaissent ensemble.
  4. Pour une intégrale définie, calculez F(b) − F(a).

Analyse à plusieurs variables

Dérivées partielles
fx = ∂f/∂x (y constant), fxy = fyx
Gradient
∇f = (fx, fy), largest slope |∇f|
Dérivée directionnelle
Duf = ∇f·u, u = v/|v|
Plan tangent
z = f(a, b) + fx(x − a) + fy(y − b)
Dérivation en chaîne
dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt
Test des dérivées secondes
D = fxxfyy − fxy²: D > 0, fxx > 0 minimum; D > 0, fxx < 0 maximum; D < 0 saddle
Intégrale double
∬R f dA = ∫ab∫g(x)h(x) f dy dx
Coordonnées polaires
x = r cos θ, y = r sin θ, dA = r dr dθ

Méthode

  1. Pour une dérivée partielle, traitez l’autre variable comme une constante et utilisez les règles à une variable.
  2. Pour les questions de gradient, calculez ∇f = (fx, fy) au point ; utilisez |∇f| pour la pente maximale et ∇f·u avec un vecteur unitaire u pour une dérivée directionnelle.
  3. Pour les extremums, résolvez fx = 0 et fy = 0 ensemble, puis classez chaque point avec D = fxx·fyy − fxy².
  4. Pour une intégrale double, esquissez la région, choisissez l’ordre (ou les coordonnées polaires pour les disques) de sorte que les bornes intérieures soient les courbes qui la délimitent, et intégrez d’abord l’intérieur.

Suites et séries

Suite arithmétique
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
Suite géométrique
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
Série géométrique infinie
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
Série de Riemann
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
Test du rapport
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Rayon de convergence
R = lim |ck/ck+1|
Polynôme de Taylor
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
Série de Maclaurin
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
Majoration de l’erreur de Lagrange
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

Méthode

  1. Identifiez le type : arithmétique (différence constante), géométrique (rapport constant), une série usuelle, une série entière ou un polynôme de Taylor.
  2. Pour les sommes, utilisez Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r), ou S = a₁/(1 − r) quand |r| < 1, avec a₁ le premier terme de la somme.
  3. Pour la convergence : d’abord le test du terme général, puis comparez avec Σ1/kᵖ ou une série géométrique, et utilisez le test du rapport ou de la racine pour les factorielles et les puissances k-ièmes.
  4. Pour les polynômes de Taylor, listez f(a), f′(a), f″(a), …, divisez la dérivée k-ième par k!, et majore l’erreur par M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!.

Convolution et systèmes LTI

Convolution discrète
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
Convolution continue
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
Longueur et somme
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
Début, fin et aire
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
Échelon dans e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
Système du premier ordre
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
Récurrence du premier ordre
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
Sinusoïde traversant h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
Amplitudes de la série de Fourier
carré ±A : 4A/(kπ), k impair ; triangle ±A : 8A/(π²k²), k impair ; train d’impulsions : A·D et (2A/(kπ))|sin kπD|

Méthode

  1. Esquissez les deux signaux et notez où chacun est non nul.
  2. Retournez h et faites-la glisser : pour chaque instant de sortie, trouvez la plage où les deux signaux se recouvrent.
  3. Multipliez et additionnez (cas discret) ou multipliez et intégrez (cas continu) sur ce seul recouvrement.
  4. Vérifiez le résultat : la sortie commence à la somme des instants de début, se termine à la somme des instants de fin, et son aire ou sa somme est le produit des aires ou des sommes des entrées.

2Exercices

1.Équations différentiellesMoyen
t (min)T (°C)11Ta​12 °C

Une canette de soda à 4 °C est sortie du réfrigérateur dans une pièce à 23 °C. Au bout de 11 min, sa température est de 12 °C. Elle suit la loi de refroidissement de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Trouvez la constante k en min⁻¹.

T0 = 4 °CTa = 23 °CT(11) = 12 °C
k = min⁻¹
2.Équations différentiellesDifficile
tyK = 1ymax​ = ?

Un système obéit à y″ + 2y′ + 5y = 5 pour t ≥ 0, à partir du repos : y(0) = 0, y′(0) = 0. Trouvez la valeur de pic ymax de sa réponse indicielle.

y″ + 2y′ + 5y = 5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.Matrices et déterminantsMoyen
A =0421−50152

Calcule le déterminant det A de la matrice 3×3 A représentée.

A = [0 4 2; 1 −5 0; 1 5 2]
det A =
4.Matrices et déterminantsDifficile
A =4−14−1

Trouve la plus grande valeur propre λ de la matrice A représentée.

A = [4 −1; 4 −1]
λ =
5.Vecteurs : produit scalaire et produit vectorielMoyen
xyzab

Trouvez l’angle θ entre les vecteurs a = (1, 4, −3) et b = (−3, −2, 6), en degrés.

a = (1, 4, −3)b = (−3, −2, 6)
θ = °
6.Vecteurs : produit scalaire et produit vectorielDifficile
xyzabc

Trouvez le volume V du parallélépipède dont les arêtes issues d’un sommet sont a = (−2, −1, −3), b = (−2, 0, −2) et c = (−2, 2, −2).

a = (−2, −1, −3)b = (−2, 0, −2)c = (−2, 2, −2)
V =
7.IntégralesMoyen
xy02

Calcule I = ∫02 ex dx.

f(x) = ex[0, 2]
I =
8.IntégralesDifficile
xy3y = 3xy = x²

La région entre la droite y = 3x et la parabole y = x² tourne autour de l’axe des x. Trouvez le volume V du solide.

y = 3xy = x²
V =
9.Analyse à plusieurs variablesMoyen

z = −3x³y² + x² − 4y³ − 2xy avec x = −2t + 2 et y = t². Utilisez la dérivation en chaîne pour trouver dz/dt en t = −1.

z = −3x³y² + x² − 4y³ − 2xyx = −2t + 2y = t²t = −1
dz/dt =
10.Analyse à plusieurs variablesDifficile
xy−20202AB

Les points marqués sont les points critiques de f(x, y) = x³ − 12x + y² − 4y. Cliquez sur le minimum local.

f(x, y) = x³ − 12x + y² − 4y
  1. 1A (−2, 2)
  2. 2B (2, 2)
11.Suites et sériesMoyen
xx₀ = 0??R

Trouvez le rayon de convergence R de la série entière Σk=1∞ k·2ᵏ·xᵏ.

Σ k·2ᵏ·xᵏx₀ = 0
R =
12.Suites et sériesDifficile

f(x) = sin x est approchée par son polynôme de Maclaurin de degré 5 en x = 1. Utilisez la majoration de l’erreur de Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! avec M = 1 pour trouver la plus grande erreur possible |R₅|.

f(x) = sin xn = 5x = 1M = 1
|R₅| =
13.Transformées de LaplaceMoyen
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−81

F(s) = (3s + 11)/(s² + 10s + 21). Sa transformée inverse a la forme f(t) = A·e−3t + B·e−7t. Trouvez le coefficient A par décomposition en éléments simples.

F(s) = (3s + 11)/(s² + 10s + 21)
A =
14.Transformées de LaplaceDifficile
t (s)y(t)t = 0,4y(0,4) = ?

Un système obéit à y″ + 6y′ + 5y = 5·u(t), avec y(0) = 3 et y′(0) = 0. À t = 0, on applique un échelon d’entrée u(t) = 10. Utilisez la transformée de Laplace pour trouver y(0,4).

y″ + 6y′ + 5y = 5·u(t)y(0) = 3y′(0) = 0u(t) = 10t = 0,4 s
y(0.4) =
15.Convolution et systèmes LTIMoyen
x(t)t4h(t)t1

L’entrée x(t) = 4·e−3tu(t) est appliquée à un système de réponse h(t) = e−5tu(t). Trouvez la sortie y(0,5) à t = 0,5 s.

x(t) = 4·e−3tu(t)h(t) = e−5tu(t)t = 0,5 s
y(0.5) =
16.Convolution et systèmes LTIDifficile
x(t)t (ms)510203−3

Un signal triangulaire monte et descend linéairement entre −3 et +3 avec la période T = 10 ms. Trouvez l’amplitude c5 de sa composante de Fourier à 500 Hz.

±3T = 10 msf = 500 Hz
c5 =

3Solutions

1.Équations différentielles

Réponse: k = 0,04969 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−11k = -11/-19

Résoudre pour k

k = ln(-19/-11)/11 = 0,04969 min⁻¹

Réponse

k = 0,04969 min⁻¹
2.Équations différentielles

Réponse: ymax = 1,208

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 = 1, r = −1 ± 2j

Constantes à partir des valeurs initiales

y(0) = 1 + A = 0 → A = −1
y′(0) = −1A + 2B = 0 → B = −0,5

Pic

t = π/2 = 1,571
ymax = 1·(1 + e−1·π/2) = 1,208

Réponse

ymax = 1,208
3.Matrices et déterminants

Réponse: det A = 12

Matrices : le déterminant d'une matrice 2×2 est ad − bc. Pour une 3×3, développe selon une ligne : chaque coefficient multiplié par le déterminant de la matrice 2×2 qui reste après avoir rayé sa ligne et sa colonne, avec des signes alternés + − +. Les valeurs propres λ vérifient det(A − λI) = 0 ; en 2×2 c'est λ² − (trace)·λ + det = 0.

Mineurs 2×2 de la première ligne

M₁₁ = −10, M₁₂ = 2, M₁₃ = 10

Développement par cofacteurs

det A = 0·(−10) − 4·2 + 2·10 = 12

Réponse

det A = 12
4.Matrices et déterminants

Réponse: λ = 3

Matrices : le déterminant d'une matrice 2×2 est ad − bc. Pour une 3×3, développe selon une ligne : chaque coefficient multiplié par le déterminant de la matrice 2×2 qui reste après avoir rayé sa ligne et sa colonne, avec des signes alternés + − +. Les valeurs propres λ vérifient det(A − λI) = 0 ; en 2×2 c'est λ² − (trace)·λ + det = 0.

Équation caractéristique

λ² − (3)λ + (0) = 0

Résoudre

λ = (3 ± √(9))/2 → λ = 0, 3
λ = 3

Réponse

λ = 3
5.Vecteurs : produit scalaire et produit vectoriel

Réponse: θ = 144,3 °

Dot product: a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ, a scalar. It gives the angle between two vectors, cos θ = a·b/(|a|·|b|), and it is zero when they are perpendicular. The scalar projection of a onto b is a·b/|b|, and a constant force F moving through a displacement d does work W = F·d.

Produit scalaire

a·b = 1·(−3) + 4·(−2) + (−3)·6 = −29

Normes

|a| = √(1² + 4² + (−3)²) = 5,099
|b| = √((−3)² + (−2)² + 6²) = 7

Angle

cos θ = −29/(5,099·7) = −0,8125
θ = arccos(−0,8125) = 144,3°

Réponse

θ = 144,3°
6.Vecteurs : produit scalaire et produit vectoriel

Réponse: V = 4

Cross product: a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx) is perpendicular to both vectors, and |a × b| = |a|·|b|·sin θ is the area of the parallelogram they span (the triangle has half of it). Order matters: b × a = −(a × b). The moment of a force F applied at point A about point O is MO = r × F, with r = A − O.

Produit vectoriel b × c

(b × c)x = bycz − bzcy = 0·(−2) − (−2)·2 = 4
(b × c)y = bzcx − bxcz = (−2)·(−2) − (−2)·(−2) = 0
(b × c)z = bxcy − bycx = (−2)·2 − 0·(−2) = −4

Produit scalaire avec a

a·(b × c) = (−2)·4 + (−1)·0 + (−3)·(−4) = 4
V = |4| = 4

Réponse

V = 4
7.Intégrales

Réponse: I = 6,389

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) = ex/1

Évaluer aux bornes

I = (e2 − 1)/1 = (7,389 − 1)/1 = 6,389

Réponse

I = 6,389
8.Intégrales

Réponse: V = 101,8

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

3x = 1x² → x = 0, x = 3

Méthode des rondelles

V = π∫₀3 ((3x)² − (1x²)²) dx

Intégrer

V = π(9·3³/3 − 1·3⁵/5) = π·32,4 = 101,8

Réponse

V = 101,8
9.Analyse à plusieurs variables

Réponse: dz/dt = 1084

Gradient : ∇f = (fx, fy) pointe dans la direction de la plus forte montée, et |∇f| est le taux de variation maximal. La dérivée directionnelle suivant une direction v est Duf = ∇f·u avec le vecteur unitaire u = v/|v|. Le plan tangent en (a, b) est z = f(a, b) + fx(a, b)(x − a) + fy(a, b)(y − b) ; il donne l’approximation linéaire de f près de ce point. Dérivation en chaîne : dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt.

Point et taux de variation

x(−1) = 4, y(−1) = 1
dx/dt = −2, dy/dt = 2t = −2

Dérivées partielles

fx = −9x²y² + 2x − 2y = −138
fy = −6x³y − 12y² − 2x = −404

Dérivation en chaîne

dz/dt = (−138)·(−2) + (−404)·(−2) = 1084

Réponse

dz/dt = 1084
10.Analyse à plusieurs variables

Réponse: B (2, 2)

Points critiques et intégrales doubles : un point critique vérifie fx = fy = 0. Test des dérivées secondes avec D = fxxfyy − fxy² : D > 0 et fxx > 0 est un minimum local, D > 0 et fxx < 0 un maximum local, D < 0 un point selle, et D = 0 ne permet pas de conclure. Pour une intégrale double sur une région générale, prenez comme bornes intérieures les courbes qui délimitent la région ; pour des disques et des secteurs, utilisez les coordonnées polaires, x = r cos θ, y = r sin θ et dA = r dr dθ (n’oubliez pas le facteur r).

Points critiques

Résolvez fx = 0 et fy = 0 ensemble.

fx = (3x² − 12) = 0
fy = (2y − 4) = 0
(2, 2), (−2, 2)

Test des dérivées secondes

(2, 2): fxx = 12, fyy = 2, fxy = 0, D = 24 → minimum local
(−2, 2): fxx = −12, fyy = 2, fxy = 0, D = −24 → point selle

Le point

B (2, 2): minimum local

Réponse

B (2, 2)
11.Suites et séries

Réponse: R = 0,5

Convergence : si les termes ne tendent pas vers 0, la série diverge (test du terme général). Σ1/kᵖ ne converge que pour p > 1, et Σrᵏ que pour |r| < 1. Comparez une série à l’une d’elles quand ses termes se comportent comme celles-ci pour k grand. Test du rapport : L = lim |ak+1/ak| ; test de la racine : L = lim |ak|1/k. L < 1 converge, L > 1 diverge, L = 1 ne décide rien. Une série entière Σck(x − x₀)ᵏ converge pour |x − x₀| < R avec R = lim |ck/ck+1| ; une série alternée dont les termes décroissent vers 0 converge.

Coefficients

ck/ck+1 = (1/2)·(k/(k + 1)) → 1/2

Rayon

R = 0,5

Réponse

R = 0,5

Le test du rapport ne dit rien aux deux extrémités ; il faut les vérifier séparément.

12.Suites et séries

Réponse: |R₅| = 0,001389

Polynômes de Taylor : près de x = a, une fonction régulière est approchée par Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n! ; pour a = 0, c’est le polynôme de Maclaurin. Séries usuelles : eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + x⁵/5! − …, cos x = 1 − x²/2! + x⁴/4! − …, ln(1 + x) = x − x²/2 + x³/3 − …, 1/(1 − x) = Σxᵏ. Majoration de l’erreur de Lagrange : |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!, où M est la plus grande valeur de |f⁽ⁿ⁺¹⁾| entre a et x.

Majoration de la dérivée

M = 1

Majoration de Lagrange

|R₅| ≤ 1·1⁶/6! = 0,001389

Réponse

|R₅| = 0,001389

L’erreur réelle est plus petite : |f(1) − P₅(1)| = 0,0001957.

13.Transformées de Laplace

Réponse: A = 0,5

Transformée de Laplace : F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt transforme les dérivées en multiplications par s : ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Couples usuels : 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), et un décalage s → s + σ multiplie la fonction du temps par e−σt. Pour inverser une F(s) rationnelle, décomposez-la en éléments simples : le résidu d’un pôle simple p est A = [(s − p)·F(s)] en s = p. Théorème de la valeur finale : f(∞) = lims→0 s·F(s), valable seulement si tous les pôles de s·F(s) sont dans le demi-plan gauche. Théorème de la valeur initiale : f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Factoriser le dénominateur

s² + 10s + 21 = (s + 3)(s + 7)
F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 7)

Méthode des résidus

Multipliez par (s + 3) et posez s = −3 : le terme en B disparaît.

A = (3s + 11)/(s + 7) |s = −3 = 2/4 = 0,5

Réponse

A = 0,5
(B = 2,5, donc f(t) = 0,5·e−3t + 2,5·e−7t)
14.Transformées de Laplace

Réponse: y(0.4) = 4,372

Transformée de Laplace : F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt transforme les dérivées en multiplications par s : ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Couples usuels : 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), et un décalage s → s + σ multiplie la fonction du temps par e−σt. Pour inverser une F(s) rationnelle, décomposez-la en éléments simples : le résidu d’un pôle simple p est A = [(s − p)·F(s)] en s = p. Théorème de la valeur finale : f(∞) = lims→0 s·F(s), valable seulement si tous les pôles de s·F(s) sont dans le demi-plan gauche. Théorème de la valeur initiale : f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Transformer l’équation

(s² + 6s + 5)·Y(s) = 3s + 18 + 50/s
Y(s) = (3s² + 18s + 50)/(s(s + 1)(s + 5))

Décomposition en éléments simples

A = 50/(1·5) = 10
B = 35/((−1)·4) = −8,75
C = 35/((−5)·(−4)) = 1,75

Résultat

y(t) = 10 − 8,75·e−t + 1,75·e−5t
y(0,4) = 4,372

Réponse

y(0,4) = 4,372

Vérification : y(0) = A + B + C = 3.

15.Convolution et systèmes LTI

Réponse: y(0.5) = 0,2821

Convolution continue : y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. On retourne h, on la fait glisser jusqu’à la position t et on intègre le produit des parties qui se recouvrent. Pour des signaux causaux, l’intégrale va de 0 à t. Résultats utiles : l’aire de y est l’aire de x multipliée par l’aire de h ; si x dure de t₁ à t₂ et h de t₃ à t₄, y dure de t₁ + t₃ à t₂ + t₄. Pour h(t) = e−atu(t) et un échelon de hauteur A, y(t) = (A/a)(1 − e−at).

Intégrale de convolution

y(t) = 4e−5t∫₀ᵗ e−(3 − 5)τ dτ = 4(e−5t − e−3t)/(−2)

Évaluer

y(0,5) = 4·(0,08208 − 0,2231)/(−2) = 0,2821

Réponse

y(0,5) = 0,2821
16.Convolution et systèmes LTI

Réponse: c5 = 0,09727

Réponse impulsionnelle et série de Fourier : la réponse impulsionnelle h(t) décrit entièrement un système LTI : pour y′ + a·y = b·x, c’est h(t) = b·e−atu(t), et pour y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n], c’est h[n] = b·aⁿu[n]. Une sinusoïde cos ωt traverse le système avec le gain |H(jω)| et la phase ∠H(jω), où H est la transformée de Fourier de h. Un signal périodique est une somme d’harmoniques en k/T : un signal carré de ±A n’a que des harmoniques impairs d’amplitudes 4A/(kπ), un signal triangulaire de crête A a 8A/(π²k²), et un train d’impulsions de hauteur A et de rapport cyclique D a pour moyenne A·D et pour harmoniques (2A/(kπ))·|sin(kπD)|.

Rang de l’harmonique

f₀ = 1/T = 100 Hz → k = 5

Amplitude

c5 = 8·3/(π²·5²) = 0,09727

Réponse

c5 = 0,09727

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