Méthodes numériques : pack de révision

Formulaires, étapes clés de la méthode pour chaque thème et 8 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

Méthodes numériques

Dichotomie
c = (a + b)/2, width after n steps (b − a)/2ⁿ
Newton–Raphson
xn+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
Interpolation linéaire
y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
Méthode des trapèzes
T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2fn−1 + fₙ], h = (b − a)/n
Méthode de Simpson (n pair)
S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4fn−1 + fₙ]
Majoration de l’erreur des trapèzes
|E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
Euler
yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
Heun
yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + hk₁)
RK4
yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)

Méthode

  1. 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.
  2. Pour une valeur de tableau : interpolez linéairement entre les deux points voisins.
  3. 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.
  4. 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.

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)!.

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)

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

2Exercices

1.Méthodes numériquesMoyen
xy00,511,52

Approchez ∫02 e−x² dx par la méthode des trapèzes avec n = 4 bandes. Donnez T.

f(x) = e−x²[a, b] = [0, 2]n = 4
T =
2.Méthodes numériquesDifficile
00,050,10,50,550,6ty(0, 0,5)

Faites un pas de la méthode de Runge–Kutta classique (RK4) avec h = 0,1 pour y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 0,5. Trouvez y₁ ≈ y(0,1).

y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0,5h = 0,1
y1 =
3.Suites et sériesMoyen
AΣ (−1)ᵏ/√kk = 1 … ∞BΣ (3/5)ᵏk = 1 … ∞CΣ (1 + 1/k)ᵏk = 1 … ∞DΣ k²/5ᵏk = 1 … ∞

Exactement une des quatre séries diverge. Cliquez dessus.

A: Σ (−1)ᵏ/√kB: Σ (3/5)ᵏC: Σ (1 + 1/k)ᵏD: Σ k²/5ᵏ
  1. 1A: Σ (−1)ᵏ/√k
  2. 2B: Σ (3/5)ᵏ
  3. 3C: Σ (1 + 1/k)ᵏ
  4. 4D: Σ k²/5ᵏ
4.Suites et sériesDifficile

f(x) = sin x est approchée en x = 0,5 par son polynôme de Maclaurin de degré n. Avec la majoration de Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! et M = 1, trouvez le plus petit degré n qui garantit une erreur inférieure à 1 × 10⁻⁵.

f(x) = sin xx = 0,5M = 1ε = 1 × 10⁻⁵
n =
5.Matrices et déterminantsMoyen
A =−2544B =3−4−5−5

Soit C = AB pour les matrices représentées. Trouve le coefficient c12 (ligne 1, colonne 2).

A = [−2 5; 4 4]B = [3 −4; −5 −5]
c12 =
6.Matrices et déterminantsDifficile
A =2244

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

A = [2 2; 4 4]
λ =
7.Équations différentiellesMoyen
t (min)T (°C)53Ta​52 °C33 °C

Une pièce d’acier forgé à 460 °C refroidit dans un atelier à 21 °C. Au bout de 53 min, sa température est de 52 °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 33 °C ?

T0 = 460 °CTa = 21 °CT(53) = 52 °CT = 33 °C
t = min
8.Équations différentiellesDifficile
t (min)m (kg)35 minm = ?

Une cuve contient 500 L d’eau dans laquelle 10 kg de sel sont dissous. De la saumure contenant 0,1 kg de sel par litre entre à 20 L/min, et la solution bien mélangée sort au même débit. Quelle quantité de sel m la cuve contient-elle au bout de 35 min ?

V = 500 Lm0 = 10 kgc = 0,1 kg/Lr = 20 L/min
m = kg

3Solutions

1.Méthodes numériques

Réponse: T = 0,8806

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.

ixᵢf(xᵢ)poids001110,50,7788012210,367879231,50,1053992420,01831561

Nœuds et valeurs

h = 0,5
Σ wᵢfᵢ = 1 + 2·0,778801 + 2·0,367879 + 2·0,105399 + 0,0183156 = 3,522475

Méthode des trapèzes

T = (0,5/2)·3,522475 = 0,8806

Réponse

T = 0,8806

Cette intégrale n’a pas de primitive élémentaire, ce qui est exactement le cas où une méthode numérique est nécessaire.

2.Méthodes numériques

Réponse: y1 = 0,6028

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.

Quatre pentes

k₁ = f(0, 0,5) = 1
k₂ = f(0,05, 0,55) = 1,027497
k₃ = f(0,05, 0,551375) = 1,027565
k₄ = f(0,1, 0,602757) = 1,060239

Combiner

y₁ = 0,5 + (0,1/6)(1 + 2·1,027497 + 2·1,027565 + 1,060239) = 0,6028

Réponse

y1 = 0,6028
3.Suites et séries

Réponse: C: Σ (1 + 1/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 (−1)ᵏ/√k → Alternée, avec 1/√k décroissant vers 0 : converge (conditionnellement).
B: Σ (3/5)ᵏ → Géométrique de raison r = 3/5, |r| < 1 : converge.
C: Σ (1 + 1/k)ᵏ → Les termes tendent vers e, pas vers 0 : diverge d’après le test du terme général.
D: Σ k²/5ᵏ → Test du rapport : L = 1/5 < 1, converge.

La réponse

C: Σ (1 + 1/k)ᵏ

Réponse

C: Σ (1 + 1/k)ᵏ
4.Suites et séries

Réponse: n = 6

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.

n(n + 1)!majoration010,5120,125260,020833240,00260441200,000260457202,17 × 10⁻⁵650401,55 × 10⁻⁶

Majorations pour n croissant

n = 5: 2,17 × 10⁻⁵ ≥ 1 × 10⁻⁵
n = 6: 1,55 × 10⁻⁶ < 1 × 10⁻⁵

Plus petit degré

n = 6

Réponse

n = 6
5.Matrices et déterminants

Réponse: c12 = −17

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

c12 = (−2)·(−4) + 5·(−5) = −17

Réponse

c12 = −17
6.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 − (6)λ + (0) = 0

Résoudre

λ = (6 ± √(36))/2 → λ = 0, 6
λ = 6

Réponse

λ = 6
7.Équations différentielles

Réponse: t = 71,98 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(439/31)/53 = 0,05001 min⁻¹

Temps pour atteindre la valeur visée

t = ln(439/12)/0,05001 = 71,98 min

Réponse

t = 71,98 min
8.Équations différentielles

Réponse: m = 40,14 kg

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.

Mettre en équation

dm/dt = 20·0,1 − (20/500)·m = 2 − 0,04·m

Résoudre

Le facteur intégrant est ert/V ; la solution tend vers l’équilibre c·V.

m(t) = 50 + (−40)·e−t/25

Remplacer t

m(35) = 50 + (−40)·0,2466 = 40,14 kg

Réponse

m = 40,14 kg

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods