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)17Ta​30 °C75 °C

Une tasse de café à 94 °C est laissée dans une pièce à 20 °C. Au bout de 17 min, sa température est de 30 °C. Elle suit la loi de refroidissement de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Combien de temps après le début, t, lui faut-il pour atteindre 75 °C ?

T0 = 94 °CTa = 20 °CT(17) = 30 °CT = 75 °C
t = min
2.Équations différentiellesDifficile
ty1y(1) = ?

Résolvez y′ + 3y = 4e−0,5t avec y(0) = 0. Trouvez y(1).

y′ + 3y = 4e−0,5ty(0) = 0
y(1) =
3.Matrices et déterminantsMoyen
A =−402−3−3105−4

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

A = [−4 0 2; −3 −3 1; 0 5 −4]
det A =
4.Matrices et déterminantsDifficile
A =36−18

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

A = [3 6; −1 8]
λ =
5.Vecteurs : produit scalaire et produit vectorielMoyen
xyzab

Trouvez la projection scalaire compb a de a = (3, 4, −7) sur b = (0, 3, 5), c’est-à-dire la composante de a dans la direction de b.

a = (3, 4, −7)b = (0, 3, 5)
compb a =
6.Vecteurs : produit scalaire et produit vectorielDifficile
xyzab

Trouvez l’aire A du parallélogramme engendré par a = (3, −5, 0) et b = (4, 4, −1).

a = (3, −5, 0)b = (4, 4, −1)
A =
7.IntégralesMoyen
xy1y = √(2x)

La région sous y = √(2x) de x = 0 à x = 1 tourne autour de l’axe des x. Trouvez le volume V du solide (un paraboloïde).

y = √(2x)0 ≤ x ≤ 1
V =
8.IntégralesDifficile
xy4y = 2xy = 0,5x²

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 =
9.Analyse à plusieurs variablesMoyen
xy0,52P

Utilisez le plan tangent de f(x, y) = 5 sin(3x − 2y) en (0,5, 2) pour approcher f(0,3, 1,9). Donnez l’approximation linéaire L.

f(x, y) = 5 sin(3x − 2y)(a, b) = (0,5, 2)(x, y) = (0,3, 1,9)
L =
10.Analyse à plusieurs variablesDifficile
xy1,5

Utilisez les coordonnées polaires pour calculer I = ∬R e−(x² + y²) dA, où R est la moitié supérieure du disque x² + y² ≤ 2,25 (y ≥ 0).

f = e−(x² + y²)0 ≤ r ≤ 1,50 ≤ θ ≤ π
I =
11.Suites et sériesMoyen
AΣ k/5ᵏk = 1 … ∞BΣ (2/3)ᵏk = 1 … ∞CΣ (−1)ᵏ/kk = 1 … ∞DΣ ln k / kk = 1 … ∞

Exactement une des quatre séries diverge. Cliquez dessus.

A: Σ k/5ᵏB: Σ (2/3)ᵏC: Σ (−1)ᵏ/kD: Σ ln k / k
  1. 1A: Σ k/5ᵏ
  2. 2B: Σ (2/3)ᵏ
  3. 3C: Σ (−1)ᵏ/k
  4. 4D: Σ ln k / k
12.Suites et sériesDifficile

f(x) = eˣ est approchée par son polynôme de Maclaurin de degré 5 en x = −0,5. 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) = eˣn = 5x = −0,5M = 1
|R₅| =
13.Transformées de LaplaceMoyen
ReIm−22

Trouvez f(t) pour F(s) = 17/(s² + 6s + 18) en complétant le carré, et calculez f(0,4).

F(s) = 17/(s² + 6s + 18)t = 0,4 s
f(0.4) =
14.Transformées de LaplaceDifficile
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

Un système obéit à y″ + 6y′ + 8y = 24·u(t), avec y(0) = 4 et y′(0) = 0. À t = 0, on applique un échelon d’entrée u(t) = 5. Utilisez la transformée de Laplace pour trouver y(0,1).

y″ + 6y′ + 8y = 24·u(t)y(0) = 4y′(0) = 0u(t) = 5t = 0,1 s
y(0.1) =
15.Convolution et systèmes LTIMoyen
x(t)t10h(t)t1

L’entrée x(t) = 10·e−5tu(t) est appliquée à un système de réponse h(t) = e−2tu(t). Trouvez la sortie y(1,5) à t = 1,5 s.

x(t) = 10·e−5tu(t)h(t) = e−2tu(t)t = 1,5 s
y(1.5) =
16.Convolution et systèmes LTIDifficile
u[n]3+y[n]0,5·z⁻¹+

Un système obéit à y[n] = 0,5·y[n − 1] + 3·x[n] et part du repos. L’entrée est l’échelon unité x[n] = u[n]. Trouvez y[2].

y[n] = 0,5y[n − 1] + 3x[n]x[n] = u[n]
y[2] =

3Solutions

1.Équations différentielles

Réponse: t = 2,52 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.

Constante de refroidissement

k = ln(74/10)/17 = 0,1177 min⁻¹

Temps pour atteindre la valeur visée

t = ln(74/55)/0,1177 = 2,52 min

Réponse

t = 2,52 min
2.Équations différentielles

Réponse: y(1) = 0,8908

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.

Facteur intégrant

μ = e3t
(e3ty)′ = 4e2,5t

Solution générale

y = 4/2,5·e−0,5t + C·e−3t = 1,6·e−0,5t + C·e−3t

Condition initiale

0 = 1,6 + C → C = −1,6

Évaluer

y(1) = 1,6·0,6065 + (−1,6)·0,04979 = 0,8908

Réponse

y(1) = 0,8908
3.Matrices et déterminants

Réponse: det A = −58

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 = 7, M₁₂ = 12, M₁₃ = −15

Développement par cofacteurs

det A = (−4)·7 − 0·12 + 2·(−15) = −58

Réponse

det A = −58
4.Matrices et déterminants

Réponse: λ = 6

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 − (11)λ + (30) = 0

Résoudre

λ = (11 ± √(1))/2 → λ = 5, 6
λ = 6

Réponse

λ = 6
5.Vecteurs : produit scalaire et produit vectoriel

Réponse: compb a = −3,944

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 = 3·0 + 4·3 + (−7)·5 = −23

Longueur de b

|b| = √(0² + 3² + 5²) = 5,831

Projection scalaire

compb a = a·b/|b| = −23/5,831 = −3,944

Réponse

compb a = −3,944

Négatif : a a une composante dirigée à l’opposé de b.

6.Vecteurs : produit scalaire et produit vectoriel

Réponse: A = 32,53

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 = (−5)·(−1) − 0·4 = 5
(a × b)y = azbx − axbz = 0·4 − 3·(−1) = 3
(a × b)z = axby − aybx = 3·4 − (−5)·4 = 32

Surface

A = |a × b| = √(5² + 3² + 32²) = 32,53

Réponse

A = 32,53
7.Intégrales

Réponse: V = 3,142

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.

Méthode des disques

V = π∫₀1 2x dx

Intégrer

V = π·2·1²/2 = 3,142

Réponse

V = 3,142
8.Intégrales

Réponse: V = 107,2

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
9.Analyse à plusieurs variables

Réponse: L = −1,39

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(0,5, 2) = −2,992
fx = 15 cos(3x − 2y) → fx(0,5, 2) = −12,02
fy = −10 cos(3x − 2y) → fy(0,5, 2) = 8,011

Plan tangent

z = −2,992 − 12,02(x − 0,5) + 8,011(y − 2)
z = −12,02x + 8,011y − 13,01

Approximation linéaire

L = −2,992 + (−12,02)·(−0,2) + 8,011·(−0,1) = −1,39

Réponse

L = −1,39

La valeur exacte est f = −1,196247 ; le plan est proche parce que le pas est petit.

10.Analyse à plusieurs variables

Réponse: I = 1,405

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).

Forme polaire

I = ∫0π ∫01,5 e−r²·r dr dθ

Intégrer

∫ e−r²·r dr = [−e−r²/2]
I = 1,405

Réponse

I = 1,405
11.Suites et séries

Réponse: D: Σ ln k / k

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.

Tester chaque série

A: Σ k/5ᵏ → Test du rapport : L = 1/5 < 1, converge.
B: Σ (2/3)ᵏ → Géométrique de raison r = 2/3, |r| < 1 : converge.
C: Σ (−1)ᵏ/k → Alternée, avec 1/k décroissant vers 0 : converge (conditionnellement).
D: Σ ln k / k → Supérieur à 1/k pour k ≥ 3 : diverge par comparaison avec la série harmonique.

La réponse

D: Σ ln k / k

Réponse

D: Σ ln k / k
12.Suites et séries

Réponse: |R₅| = 2,17 × 10⁻⁵

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| ≤ 1·0,5⁶/6! = 2,17 × 10⁻⁵

Réponse

|R₅| = 2,17 × 10⁻⁵

L’erreur réelle est plus petite : |f(−0,5) − P₅(−0,5)| = 2,024 × 10⁻⁵.

13.Transformées de Laplace

Réponse: f(0.4) = 1,591

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 + 6s + 18 = (s + 3)² + 9 = (s + 3)² + 3²

Identifier le numérateur

F(s) = (17/3)·3/((s + 3)² + 3²)

Transformée inverse

f(t) = e−3t·(5,667·sin 3t)
f(0,4) = e−3·0,4·(5,667·sin(3·0,4)) = 1,591

Réponse

f(0,4) = 1,591
14.Transformées de Laplace

Réponse: y(0.1) = 4,361

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 + 8)·Y(s) = 4s + 24 + 120/s
Y(s) = (4s² + 24s + 120)/(s(s + 2)(s + 4))

Décomposition en éléments simples

A = 120/(2·4) = 15
B = 88/((−2)·2) = −22
C = 88/((−4)·(−2)) = 11

Résultat

y(t) = 15 − 22·e−2t + 11·e−4t
y(0,1) = 4,361

Réponse

y(0,1) = 4,361

Vérification : y(0) = A + B + C = 4.

15.Convolution et systèmes LTI

Réponse: y(1.5) = 0,1641

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) = 10e−2t∫₀ᵗ e−(5 − 2)τ dτ = 10(e−2t − e−5t)/(3)

Évaluer

y(1,5) = 10·(0,04979 − 0,0005531)/(3) = 0,1641

Réponse

y(1,5) = 0,1641
16.Convolution et systèmes LTI

Réponse: y[2] = 5,25

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)|.

Itérez

y[0] = 3
y[1] = 4,5
y[2] = 5,25

Résultat

y[2] = 3·(1 − (0,5)3)/(1 − 0,5) = 5,25

Réponse

y[2] = 5,25

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