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.
Pour une valeur de tableau : interpolez linéairement entre les deux points voisins.
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.
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
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)!.
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
La méthode des trapèzes est utilisée pour ∫01 x³ dx. L’erreur est au plus (b − a)³·M/(12n²) avec M = max|f″| sur [0, 1]. Trouvez le plus petit nombre de bandes n qui garantit une erreur inférieure à 1 × 10⁻⁵.
f(x) = x³[a, b] = [0, 1]ε = 1 × 10⁻⁵
n =
2.Méthodes numériquesDifficile
Utilisez la méthode d’Euler avec h = 0,1 pour y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 0 afin d’estimer y4 ≈ y(0,4).
y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0h = 0,1
y4 =
3.Suites et sériesMoyen
Exactement une des quatre séries converge. Cliquez dessus.
A: Σ 2ᵏ/k³B: Σ (−1)ᵏ/kC: Σ ln k / kD: Σ 2/k
1A: Σ 2ᵏ/k³
2B: Σ (−1)ᵏ/k
3C: Σ ln k / k
4D: Σ 2/k
4.Suites et sériesDifficile
f(x) = cos x est approchée par son polynôme de Maclaurin de degré 5 en x = 0,3. 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) = cos xn = 5x = 0,3M = 1
|R₅| =
5.Matrices et déterminantsMoyen
Soit C = AB pour les matrices représentées. Trouve le coefficient c22 (ligne 2, colonne 2).
A = [−6 5; 5 −4]B = [−4 −4; 2 1]
c22 =
6.Matrices et déterminantsDifficile
Résous le système 6x − 5y = 9 et −3x − 5y = −9. Trouve x.
6x − 5y = 9−3x − 5y = −9
x =
7.Équations différentiellesMoyen
Une canette de soda à 3 °C est sortie du réfrigérateur dans une pièce à 26 °C. Au bout de 9 min, sa température est de 17 °C. Elle suit la loi de refroidissement de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Trouvez la constante k en min⁻¹.
T0 = 3 °CTa = 26 °CT(9) = 17 °C
k = min⁻¹
8.Équations différentiellesDifficile
Un système obéit à y″ + y′ + 4,25y = 4,25 pour t ≥ 0, à partir du repos : y(0) = 0, y′(0) = 0. Trouvez y(0,25) ; angles en radians.
y″ + y′ + 4,25y = 4,25y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.25) =
3Solutions
1.Méthodes numériques
Réponse: n = 224
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.
Majoration de la dérivée seconde
M = 6·1 = 6
Résoudre pour n
n² > 1·6/(12·1 × 10⁻⁵) = 50000
n > 223,6 → n = 224
Réponse
n = 224
2.Méthodes numériques
Réponse: y4 = 0,4142
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.
Pas d’Euler
y₁ = 0 + 0,1·(1) = 0,1
y₂ = 0,1 + 0,1·(1,01) = 0,201
y₃ = 0,201 + 0,1·(1,040189) = 0,305019
y₄ = 0,305019 + 0,1·(1,091378) = 0,414157
Graphique
y4 = 0,4142
Réponse
y4 = 0,4142
3.Suites et séries
Réponse: B: Σ (−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 2ᵏ/k³ → Test du rapport : L = 2 > 1, diverge.
B: Σ (−1)ᵏ/k → Alternée, avec 1/k décroissant vers 0 : converge (conditionnellement).
C: Σ ln k / k → Supérieur à 1/k pour k ≥ 3 : diverge par comparaison avec la série harmonique.
D: Σ 2/k → Un multiple de la série harmonique (p = 1) : diverge.
La réponse
B: Σ (−1)ᵏ/k
Réponse
B: Σ (−1)ᵏ/k
4.Suites et séries
Réponse: |R₅| = 1,012 × 10⁻⁶
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.
Majoration de la dérivée
M = 1
Majoration de Lagrange
|R₅| ≤ 1·0,3⁶/6! = 1,012 × 10⁻⁶
Réponse
|R₅| = 1,012 × 10⁻⁶
L’erreur réelle est plus petite : |f(0,3) − P₅(0,3)| = 1,011 × 10⁻⁶.
5.Matrices et déterminants
Réponse: c22 = −24
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
c22 = 5·(−4) + (−4)·1 = −24
Réponse
c22 = −24
6.Matrices et déterminants
Réponse: x = 2
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 = 6·(−5) − (−5)·(−3) = −45
Remplacer la colonne de x
det Aₓ = 9·(−5) − (−5)·(−9) = −90
x = −90/(−45) = 2
Réponse
x = 2
y = 0,6
7.Équations différentielles
Réponse: k = 0,1043 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−9k = -9/-23
Résoudre pour k
k = ln(-23/-9)/9 = 0,1043 min⁻¹
Réponse
k = 0,1043 min⁻¹
8.Équations différentielles
Réponse: y(0.25) = 0,1198
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.