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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
Écrivez chaque vecteur en composantes ; pour une force donnée par une norme et un angle, utilisez F·cos θ et F·sin θ.
Pour les longueurs et les directions, utilisez la norme √(x² + y² + z²) et le vecteur unitaire a/|a|.
Utilisez le produit scalaire pour les angles, les projections, la perpendicularité et le travail : a·b = |a||b|cos θ.
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
Réécrivez l’intégrande comme une somme de termes simples si possible.
Appliquez la règle des puissances : ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), et les primitives usuelles de ex, 1/x, sin et cos.
Utilisez un changement de variable quand une fonction et sa dérivée apparaissent ensemble.
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
Pour une dérivée partielle, traitez l’autre variable comme une constante et utilisez les règles à une variable.
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.
Pour les extremums, résolvez fx = 0 et fy = 0 ensemble, puis classez chaque point avec D = fxx·fyy − fxy².
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
Identifiez le type : arithmétique (différence constante), géométrique (rapport constant), une série usuelle, une série entière ou un polynôme de Taylor.
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.
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.
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
Esquissez les deux signaux et notez où chacun est non nul.
Retournez h et faites-la glisser : pour chaque instant de sortie, trouvez la plage où les deux signaux se recouvrent.
Multipliez et additionnez (cas discret) ou multipliez et intégrez (cas continu) sur ce seul recouvrement.
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
Une canette de soda à 5 °C est sortie du réfrigérateur dans une pièce à 24 °C. Au bout de 14 min, sa température est de 18 °C. Elle suit la loi de refroidissement de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Trouvez la constante k en min⁻¹.
T0 = 5 °CTa = 24 °CT(14) = 18 °C
k = min⁻¹
2.Équations différentiellesDifficile
Résolvez le problème de Cauchy y′ + 2y/x = 6x2 pour x > 0, avec y(1) = 3. Trouvez y(3).
y′ + 2y/x = 6x2y(1) = 3
y(3) =
3.Matrices et déterminantsMoyen
Soit C = AB pour les matrices représentées. Trouve le coefficient c11 (ligne 1, colonne 1).
A = [−4 1; 2 −5]B = [3 −6; −4 1]
c11 =
4.Matrices et déterminantsDifficile
Résous le système −5x + 4y = 7 et 2x + 2y = 1. Trouve x.
−5x + 4y = 72x + 2y = 1
x =
5.Vecteurs : produit scalaire et produit vectorielMoyen
Une force constante F = (0, −5, −15) N agit sur un objet pendant qu’il se déplace en ligne droite du point A(−3, −4, −1) au point B(1, 0, 1). Les coordonnées sont en mètres. Trouvez le travail W effectué par la force.
F = (0, −5, −15) NA(−3, −4, −1) mB(1, 0, 1) m
W = J
6.Vecteurs : produit scalaire et produit vectorielDifficile
Trouvez l’aire A du parallélogramme engendré par a = (−5, −2, 1) et b = (−4, −5, 1).
a = (−5, −2, 1)b = (−4, −5, 1)
A =
7.IntégralesMoyen
Calcule I = ∫02 2x·(x² + 1)1 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)1[0, 2]
I =
8.IntégralesDifficile
Calcule l'aire A du domaine entre la parabole y = 4 − x² et l'axe des x.
y = 4 − x²
A =
9.Analyse à plusieurs variablesMoyen
z = ln(x² + 4y²) avec x = 2t et y = −t² + 2. Utilisez la dérivation en chaîne pour trouver dz/dt en t = −1.
z = ln(x² + 4y²)x = 2ty = −t² + 2t = −1
dz/dt =
10.Analyse à plusieurs variablesDifficile
Utilisez les coordonnées polaires pour calculer I = ∬R e−(x² + y²) dA, où R est le quart du disque x² + y² ≤ 9 dans le premier quadrant.
f = e−(x² + y²)0 ≤ r ≤ 30 ≤ θ ≤ π/2
I =
11.Suites et sériesMoyen
Trouvez la somme S = Σk=112 2/(k(k + 1)).
ak = 2/(k(k + 1))n = 12
S =
12.Suites et sériesDifficile
Utilisez le polynôme de Maclaurin de degré 4 de f(x) = e2x pour approcher f(1). Donnez P₄(1).
f(x) = e2xn = 4x = 1
P₄(1) =
13.Transformées de LaplaceMoyen
Trouvez f(t) pour F(s) = (4s + 40)/(s² + 2s + 17) en complétant le carré, et calculez f(0,4).
F(s) = (4s + 40)/(s² + 2s + 17)t = 0,4 s
f(0.4) =
14.Transformées de LaplaceDifficile
Résolvez y″ + 5y′ + 4y = 0 avec y(0) = 6 et y′(0) = −5 à l’aide de la transformée de Laplace, et trouvez y(0,5).
y″ + 5y′ + 4y = 0y(0) = 6y′(0) = −5t = 0,5 s
y(0.5) =
15.Convolution et systèmes LTIMoyen
Un système a pour réponse impulsionnelle h(t) = e−1tu(t). L’entrée est un échelon x(t) = 2·u(t). Trouvez la sortie y(1) à t = 1 s.
h(t) = e−1tu(t)x(t) = 2·u(t)t = 1 s
y(1) =
16.Convolution et systèmes LTIDifficile
L’entrée x(t) = 5·cos(30t) est appliquée à un système de réponse h(t) = 10·e−10tu(t). Trouvez la phase φ de la sortie en régime permanent par rapport à l’entrée, en degrés.
h(t) = 10e−10tu(t)x(t) = 5cos(30t)
φ = °
3Solutions
1.Équations différentielles
Réponse: k = 0,08233 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−14k = -6/-19
Résoudre pour k
k = ln(-19/-6)/14 = 0,08233 min⁻¹
Réponse
k = 0,08233 min⁻¹
2.Équations différentielles
Réponse: y(3) = 32,6
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 = e∫2/x dx = x2
Intégrer
(x2y)′ = 6x4 → x2y = 6x5/5 + C
Condition initiale
3 = 6/5 + C → C = 1,8
Évaluer
y(3) = (6·35/5 + 1,8)/32 = 32,6
Réponse
y(3) = 32,6
3.Matrices et déterminants
Réponse: c11 = −16
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.
Ligne fois colonne
c11 = (−4)·3 + 1·(−4) = −16
Réponse
c11 = −16
4.Matrices et déterminants
Réponse: x = −0,5556
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)·2 − 4·2 = −18
Remplacer la colonne de x
det Aₓ = 7·2 − 4·1 = 10
x = 10/(−18) = −0,5556
Réponse
x = −0,5556
y = 1,056
5.Vecteurs : produit scalaire et produit vectoriel
Réponse: W = −50 J
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.
Déplacement
d = B − A = (1, 0, 1) − (−3, −4, −1) = (4, 4, 2) m
Travail
W = F·d = 0·4 + (−5)·4 + (−15)·2 = −50 J
Réponse
W = −50 J
Travail négatif : la force agit surtout contre le mouvement.
6.Vecteurs : produit scalaire et produit vectoriel
Réponse: A = 17,29
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.
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.
Changement de variable
u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫15 u1 du
Intégrer et évaluer
I = [u2/2]15 = (25 − 1)/2 = 12
Réponse
I = 12
8.Intégrales
Réponse: A = 10,67
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.
Zéros
4 − x² = 0 → x = ±2
Intégrer
A = [4x − x³/3]−22 = 5,333 − (−5,333) = 10,67
Réponse
A = 10,67
9.Analyse à plusieurs variables
Réponse: dz/dt = 1
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) = −2, y(−1) = 1
dx/dt = 2, dy/dt = −2t = 2
Dérivées partielles
fx = 2x/(x² + 4y²) = −0,5
fy = 8y/(x² + 4y²) = 1
Dérivation en chaîne
dz/dt = (−0,5)·2 + 1·2 = 1
Réponse
dz/dt = 1
10.Analyse à plusieurs variables
Réponse: I = 0,7853
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/2 ∫03 e−r²·r dr dθ
Intégrer
∫ e−r²·r dr = [−e−r²/2]
I = 0,7853
Réponse
I = 0,7853
11.Suites et séries
Réponse: S = 1,846
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.
Décomposition en éléments simples
2/(k(k + 1)) = 2·(1/k − 1/(k + 1))
Annuler
S = 2·(1 − 1/13) = 1,846
Réponse
S = 1,846
12.Suites et séries
Réponse: P₄(1) = 7
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.
Polynôme de Maclaurin
P₄(x) = 1 + 2x + 2x² + 1,333x³ + 0,6667x⁴
Remplacer
P₄(1) = 1 + 2 + 2 + 1,333333 + 0,666667 = 7
Réponse
P₄(1) = 7
La valeur exacte est f(1) = 7,389056 ; l’erreur 0,389056 diminue quand on prend plus de termes ou un point plus proche de 0.
13.Transformées de Laplace
Réponse: f(0.4) = 5,952
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).
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
s²Y − 6s − (−5) + 5(sY − 6) + 4Y = 0
Y(s) = (6s + 25)/((s + 1)(s + 4))
Décomposition en éléments simples
A = 19/3 = 6,333
B = 1/(−3) = −0,3333
Résultat
y(t) = 6,333·e−t − 0,3333·e−4t
y(0,5) = 3,796
Réponse
y(0,5) = 3,796
Vérification : y(0) = A + B = 6.
15.Convolution et systèmes LTI
Réponse: y(1) = 1,264
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).
Convolution avec un échelon
y(t) = 2·∫₀ᵗ e−1τ dτ = (2/1)·(1 − e−1t)
Évaluer
y(1) = 2·(1 − e−1) = 1,264
Réponse
y(1) = 1,264
16.Convolution et systèmes LTI
Réponse: φ = −71,57 °
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)|.