Méthodes numériques : pack de révision

Formulaires, étapes clés de la méthode pour chaque thème et 8 exercices, avec les corrigés complets à la fin.

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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
xy00,33330,666711,3331,6672

Approchez ∫02 1/(1 + x³) dx par la méthode de Simpson avec n = 6 bandes. Donnez S.

f(x) = 1/(1 + x³)[a, b] = [0, 2]n = 6
S =
2.Méthodes numériquesDifficile
00,20,40,61,52ty(0, 2)

Utilisez la méthode d’Euler avec h = 0,25 pour y′ = cos t − y, y(0) = 2 afin d’estimer y3 ≈ y(0,75).

y′ = cos t − yy(0) = 2h = 0,25
y3 =
3.Suites et sériesMoyen
k|aₖ₊₁/aₖ|123456789101112

Appliquez le test du rapport à Σk=1∞ (k!)²·1ᵏ/(2k)!. Trouvez L = lim |ak+1/ak|.

ak = (k!)²·1ᵏ/(2k)!
L =
4.Suites et sériesDifficile

Reconnaissez la série et trouvez sa somme : S = Σk=1∞ (−1)k+1·0,75ᵏ/k.

ak = (−1)k+1·0,75ᵏ/k
S =
5.Matrices et déterminantsMoyen
A =2−3003−1−552

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

A = [2 −3 0; 0 3 −1; −5 5 2]
det A =
6.Matrices et déterminantsDifficile
A =5−17−3

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

A = [5 −1; 7 −3]
λ =
7.Équations différentiellesMoyen
tyy(0) = 5y(0,5) = ?

Résolvez y″ + 5y′ + 6y = 0 avec y(0) = 5 et y′(0) = 1. Trouvez y(0,5).

y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = 5y′(0) = 1
y(0.5) =
8.Équations différentiellesDifficile
t (min)m (kg)40 minm = ?

Une cuve contient 1000 L d’eau pure. De la saumure contenant 0,25 kg de sel par litre entre à 2 L/min, et la solution bien mélangée sort au même débit. Quelle quantité de sel m la cuve contient-elle au bout de 40 min ?

V = 1000 Lm0 = 0 kgc = 0,25 kg/Lr = 2 L/min
m = kg

3Solutions

1.Méthodes numériques

Réponse: S = 1,091

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)poids001110,3333330,964286420,6666670,7714292310,5441,3333330,296703251,6666670,1776324620,1111111

Nœuds et valeurs

h = 0,3333
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0,964286 + 2·0,771429 + 4·0,5 + 2·0,296703 + 4·0,177632 + 0,111111 = 9,815044

Méthode de Simpson

S = (0,3333/3)·9,815044 = 1,091

Réponse

S = 1,091

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

2.Méthodes numériques

Réponse: y3 = 1,385

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.

ntₙyₙf(tₙ, yₙ)yₙ₊₁002−11,7510,251,75−0,7810881,55472820,51,554728−0,6771461,385442

Pas d’Euler

y₁ = 2 + 0,25·(−1) = 1,75
y₂ = 1,75 + 0,25·(−0,781088) = 1,554728
y₃ = 1,554728 + 0,25·(−0,677146) = 1,385442
00,20,40,61,52ty

Graphique

y3 = 1,385

Réponse

y3 = 1,385
3.Suites et séries

Réponse: L = 0,25

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.

Rapport de termes consécutifs

|ak+1/ak| = 1·(k + 1)²/((2k + 2)(2k + 1)) → 1/4

Conclusion

L = 0,25 < 1

Réponse

L = 0,25

L < 1, donc la série converge.

4.Suites et séries

Réponse: S = 0,5596

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 (−1)k+1xᵏ/k = ln(1 + x)

Remplacer

x = 0,75
S = ln 1,75 = 0,5596

Réponse

S = 0,5596
5.Matrices et déterminants

Réponse: det A = 7

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 = 11, M₁₂ = −5, M₁₃ = 15

Développement par cofacteurs

det A = 2·11 − (−3)·(−5) + 0·15 = 7

Réponse

det A = 7
6.Matrices et déterminants

Réponse: λ = 4

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 − (2)λ + (−8) = 0

Résoudre

λ = (2 ± √(36))/2 → λ = −2, 4
λ = 4

Réponse

λ = 4
7.Équations différentielles

Réponse: y(0.5) = 3,432

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.

Racines caractéristiques

(r + 2)(r + 3) = 0 → r = −2, −3

Constantes à partir des valeurs initiales

A + B = 5, −2A − 3B = 1
A = 16, B = −11

Évaluer

y(0,5) = 16·e−1 + (−11)·e−1,5 = 3,432

Réponse

y(0,5) = 3,432
8.Équations différentielles

Réponse: m = 19,22 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 = 2·0,25 − (2/1000)·m = 0,5 − 0,002·m

Résoudre

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

m(t) = 250 + (−250)·e−t/500

Remplacer t

m(40) = 250 + (−250)·0,9231 = 19,22 kg

Réponse

m = 19,22 kg

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