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.

Nouveaux exercicesRetour au cours

Dans la fenêtre d’impression, choisissez « Enregistrer au format PDF » pour garder une copie sur votre appareil.

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)17Ta​13 °C

Une canette de soda à 4 °C est sortie du réfrigérateur dans une pièce à 23 °C. Au bout de 17 min, sa température est de 13 °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(17) = 13 °C
k = min⁻¹
2.Équations différentiellesDifficile
t (min)m (kg)t = ?24 kg

Une cuve contient 400 L d’eau pure. De la saumure contenant 0,2 kg de sel par litre entre à 10 L/min, et la solution bien mélangée sort au même débit. Au bout de combien de minutes t la cuve contient-elle 24 kg de sel ?

V = 400 Lm0 = 0 kgc = 0,2 kg/Lr = 10 L/min
t = min
3.Matrices et déterminantsMoyen
A =44−5330−45−2

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

A = [4 4 −5; 3 3 0; −4 5 −2]
det A =
4.Matrices et déterminantsDifficile
A =−5−1−11b =25

Résous le système −5x − y = 2 et −x + y = 5. Trouve x.

−5x − y = 2−x + y = 5
x =
5.Vecteurs : produit scalaire et produit vectorielMoyen
xyzab

Trouvez l’angle θ entre les vecteurs a = (−6, 6, 0) et b = (−3, −2, 6), en degrés.

a = (−6, 6, 0)b = (−3, −2, 6)
θ = °
6.Vecteurs : produit scalaire et produit vectorielDifficile
xyzab

Le vecteur unitaire n̂ est perpendiculaire à a = (−5, 4, 4) et à b = (1, −2, −4) et a une composante z positive. Trouvez sa composante x n̂x.

a = (−5, 4, 4)b = (1, −2, −4)n̂z > 0
n̂x =
7.IntégralesMoyen
xy2y = x·cos x

Calculez I = ∫₀2 x·cos x dx (x en radians).

∫₀2 x·cos x dx
I =
8.IntégralesDifficile
xyy = 0,5x2​y = x

Calcule l'aire A du domaine délimité par y = 0,5x2 et y = x.

y = 0,5x2y = x
A =
9.Analyse à plusieurs variablesMoyen
xy−1−1P

Le plan tangent à z = −2xe2y au point où (x, y) = (−1, −1) peut s’écrire z = px + qy + c. Trouvez c.

f(x, y) = −2xe2y(a, b) = (−1, −1)
c =
10.Analyse à plusieurs variablesDifficile
xy05−2024(0, 0)(3, 3)

Trouvez les points critiques de f(x, y) = x³ + y³ − 9xy, classez-les, et donnez la valeur fmin de f en son minimum local.

f(x, y) = x³ + y³ − 9xy
fmin =
11.Suites et sériesMoyen
xx₀ = 2??R

Trouvez le rayon de convergence R de la série entière Σk=1∞ k!·(x − 2)ᵏ/kᵏ.

Σ k!·(x − 2)ᵏ/kᵏx₀ = 2
R =
12.Suites et sériesDifficile

Reconnaissez la série et trouvez sa somme : S = Σk=1∞ k·0,5ᵏ.

ak = k·0,5ᵏ
S =
13.Transformées de LaplaceMoyen
ReIm−2−4−6−8−102

Trouvez f(t) pour F(s) = (2s + 19)/(s² + 8s + 20) en complétant le carré, et calculez f(0,3).

F(s) = (2s + 19)/(s² + 8s + 20)t = 0,3 s
f(0.3) =
14.Transformées de LaplaceDifficile
ReIm−1−2−3−4−5−61

Un système est décrit par l’équation différentielle y″ + 9y′ + 18y = 4u′ + 16u, d’entrée u(t) et de sortie y(t). Trouvez sa fonction de transfert G(s) = Y(s)/U(s) (conditions initiales nulles) et calculez la réponse impulsionnelle g(t) à t = 0,1 s. Trouvez g(0,1).

y″ + 9y′ + 18y = 4u′ + 16ut = 0,1 s
g(0.1) =
15.Convolution et systèmes LTIMoyen
x(t)t12h(t)t45

L’impulsion x(t) = 2 pour 0 ≤ t < 1 s (nulle ailleurs) est appliquée à un système de réponse impulsionnelle h(t) = 5 pour 0 ≤ t < 4 s (nulle ailleurs). Trouvez la sortie y(1) à t = 1 s.

x(t) = 2, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 5, 0 ≤ t < 4 st = 1 s
y(1) =
16.Convolution et systèmes LTIDifficile
x(t)t (ms)2,55102−2

Un signal carré commute entre +2 et −2 avec la période T = 5 ms (une demi-période à chaque niveau). Trouvez l’amplitude c1 de sa composante de Fourier à 200 Hz.

±2T = 5 msf = 200 Hz
c1 =

3Solutions

1.Équations différentielles

Réponse: k = 0,03776 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−17k = -10/-19

Résoudre pour k

k = ln(-19/-10)/17 = 0,03776 min⁻¹

Réponse

k = 0,03776 min⁻¹
2.Équations différentielles

Réponse: t = 14,27 min

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.

Résultat

m(t) = 80 + (−80)·e−t/40

Résoudre pour t

e−t/40 = (80 − 24)/(80 − 0) = 0,7
t = 40·ln(1,429) = 14,27 min

Réponse

t = 14,27 min
3.Matrices et déterminants

Réponse: det A = −135

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 = −6, M₁₂ = −6, M₁₃ = 27

Développement par cofacteurs

det A = 4·(−6) − 4·(−6) + (−5)·27 = −135

Réponse

det A = −135
4.Matrices et déterminants

Réponse: x = −1,167

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.

Déterminant de la matrice des coefficients

det A = (−5)·1 − (−1)·(−1) = −6

Remplacer la colonne de x

det Aₓ = 2·1 − (−1)·5 = 7
x = 7/(−6) = −1,167

Réponse

x = −1,167
y = 3,833
5.Vecteurs : produit scalaire et produit vectoriel

Réponse: θ = 84,2 °

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 = (−6)·(−3) + 6·(−2) + 0·6 = 6

Normes

|a| = √((−6)² + 6² + 0²) = 8,485
|b| = √((−3)² + (−2)² + 6²) = 7

Angle

cos θ = 6/(8,485·7) = 0,101
θ = arccos(0,101) = 84,2°

Réponse

θ = 84,2°
6.Vecteurs : produit scalaire et produit vectoriel

Réponse: n̂x = −0,424

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

(a × b)x = aybz − azby = 4·(−4) − 4·(−2) = −8
(a × b)y = azbx − axbz = 4·1 − (−5)·(−4) = −16
(a × b)z = axby − aybx = (−5)·(−2) − 4·1 = 6

Normaliser

La composante z de a × b est déjà positive.

|a × b| = √((−8)² + (−16)² + 6²) = 18,87
n̂ = (−8, −16, 6)/18,87 = (−0,424, −0,848, 0,318)
n̂x = −0,424

Réponse

n̂x = −0,424
7.Intégrales

Réponse: I = 0,4024

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 = x, du = dx; dv = cos x dx, v = sin x

Primitive

∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x

Limites

(2·sin 2 + cos 2) − (0 + 1) = 0,4024

Réponse

I = 0,4024
8.Intégrales

Réponse: A = 0,6667

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

0,5x2 = x → x = 0, x = 2

Intégrer la haute moins la basse

A = [0,5x2 − 0,1667x3]02 = 0,6667

Réponse

A = 0,6667
9.Analyse à plusieurs variables

Réponse: c = 0,5413

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.

Valeur et pentes au point

f(−1, −1) = 0,2707
fx = −2·e2y → fx(−1, −1) = −0,2707
fy = −4xe2y → fy(−1, −1) = 0,5413

Plan tangent

z = 0,2707 − 0,2707(x + 1) + 0,5413(y + 1)
z = −0,2707x + 0,5413y + 0,5413

Terme constant

c = 0,5413

Réponse

c = 0,5413
10.Analyse à plusieurs variables

Réponse: fmin = −27

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 − 9y = 0
fy = 3y² − 9x = 0
(0, 0), (3, 3)

Test des dérivées secondes

(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = −9, D = −81 → point selle
(3, 3): fxx = 18, fyy = 18, fxy = −9, D = 243 → minimum local

Valeur à l’extremum

f(3, 3) = −27

Réponse

fmin = −27
11.Suites et séries

Réponse: R = 2,718

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 + 1/k)ᵏ → e

Rayon

R = 2,718

Réponse

R = 2,718

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

12.Suites et séries

Réponse: S = 2

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.

Séries usuelles

Σ k·xᵏ = x/(1 − x)²

Remplacer

x = 0,5
S = 0,5/(1 − 0,5)² = 2

Réponse

S = 2
13.Transformées de Laplace

Réponse: f(0.3) = 1,433

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).

Compléter le carré

s² + 8s + 20 = (s + 4)² + 4 = (s + 4)² + 2²

Identifier le numérateur

F(s) = 2·(s + 4)/((s + 4)² + 2²) + (11/2)·2/((s + 4)² + 2²)

Transformée inverse

f(t) = e−4t·(2·cos 2t + 5,5·sin 2t)
f(0,3) = e−4·0,3·(2·cos(2·0,3) + 5,5·sin(2·0,3)) = 1,433

Réponse

f(0,3) = 1,433
14.Transformées de Laplace

Réponse: g(0.1) = 2,451

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).

Fonction de transfert

G(s) = Y(s)/U(s) = (4s + 16)/(s² + 9s + 18)

Décomposition en éléments simples

s² + 9s + 18 = (s + 3)(s + 6)
A = 1,333, B = 2,667

Réponse impulsionnelle

g(t) = 1,333·e−3t + 2,667·e−6t
g(0,1) = 2,451

Réponse

g(0,1) = 2,451
15.Convolution et systèmes LTI

Réponse: y(1) = 10

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).

Recouvrement de l’impulsion retournée

h(t − τ) est l’impulsion de h retournée et décalée de sorte qu’elle se termine en τ = t.

τ ∈ [0, 1] → longueur 1 s

Intégrale

y(1) = 2·5·1 = 10

Réponse

y(1) = 10

y(t) est un trapèze : il monte depuis 0, reste à 10 et redescend à 0 à t = 5 s.

16.Convolution et systèmes LTI

Réponse: c1 = 2,546

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 = 200 Hz → k = 200/200 = 1

Amplitude

c1 = 4·2/(1π) = 2,546

Réponse

c1 = 2,546

ExamProblems · examproblems.com/courses/engineering-mathematics-2