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
Approchez ∫01 sin x dx par la méthode des trapèzes, n = 2, et comparez avec la valeur exacte. Trouvez l’erreur absolue |E| = |T − I|.
f(x) = sin x[a, b] = [0, 1]n = 2
|E| =
2.Méthodes numériquesDifficile
Utilisez la méthode d’Euler avec h = 0,1 pour y′ = t − y, y(0) = 1 afin d’estimer y3 ≈ y(0,3).
y′ = t − yy(0) = 1h = 0,1
y3 =
3.Suites et sériesMoyen
Exactement une des quatre séries diverge. Cliquez dessus.
A: Σ (k + 3)/k²B: Σ (1/2)ᵏC: Σ 1/k³D: Σ (−1)ᵏ/k
1A: Σ (k + 3)/k²
2B: Σ (1/2)ᵏ
3C: Σ 1/k³
4D: Σ (−1)ᵏ/k
4.Suites et sériesDifficile
f(x) = eˣ est approchée par son polynôme de Maclaurin de degré 4 en x = 0,2. Utilisez la majoration de l’erreur de Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! avec M = e0,2 = 1,221 pour trouver la plus grande erreur possible |R₄|.
f(x) = eˣn = 4x = 0,2M = 1,221
|R₄| =
5.Matrices et déterminantsMoyen
Calcule le déterminant det A de la matrice 3×3 A représentée.
A = [2 −1 1; −4 −5 2; 3 −3 −4]
det A =
6.Matrices et déterminantsDifficile
Résous le système 4x + 5y = 11 et 5x − 6y = 7. Trouve x.
4x + 5y = 115x − 6y = 7
x =
7.Équations différentiellesMoyen
Une canette de soda à 3 °C est sortie du réfrigérateur dans une pièce à 26 °C. Au bout de 17 min, sa température est de 22 °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(17) = 22 °C
k = min⁻¹
8.Équations différentiellesDifficile
Une cuve contient 200 L d’eau pure. De la saumure contenant 0,05 kg de sel par litre entre à 5 L/min, et la solution bien mélangée sort au même débit. Quelle quantité de sel m la cuve contient-elle au bout de 75 min ?
V = 200 Lm0 = 0 kgc = 0,05 kg/Lr = 5 L/min
m = kg
3Solutions
1.Méthodes numériques
Réponse: |E| = 0,009617
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.
Valeur exacte
I = 0,459698
Méthode des trapèzes
T = (0,5/2)·(0 + 2·0,479426 + 0,841471) = 0,450081
Erreur
|E| = |0,450081 − 0,459698| = 0,009617
Réponse
|E| = 0,009617
Erreur relative : 2,092 %.
2.Méthodes numériques
Réponse: y3 = 0,758
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 = 1 + 0,1·(−1) = 0,9
y₂ = 0,9 + 0,1·(−0,8) = 0,82
y₃ = 0,82 + 0,1·(−0,62) = 0,758
Graphique
y3 = 0,758
Réponse
y3 = 0,758
La valeur exacte est y(0,3) = 0,781636.
3.Suites et séries
Réponse: A: Σ (k + 3)/k²
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 + 3)/k² → Se comporte comme 1/k pour k grand : diverge par comparaison avec la série harmonique.
B: Σ (1/2)ᵏ → Géométrique de raison r = 1/2, |r| < 1 : converge.
C: Σ 1/k³ → Série de Riemann avec p = 3 > 1 : converge.
D: Σ (−1)ᵏ/k → Alternée, avec 1/k décroissant vers 0 : converge (conditionnellement).
La réponse
A: Σ (k + 3)/k²
Réponse
A: Σ (k + 3)/k²
4.Suites et séries
Réponse: |R₄| = 3,257 × 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 = e0,2 = 1,221
Majoration de Lagrange
|R₄| ≤ 1,221·0,2⁵/5! = 3,257 × 10⁻⁶
Réponse
|R₄| = 3,257 × 10⁻⁶
L’erreur réelle est plus petite : |f(0,2) − P₄(0,2)| = 2,758 × 10⁻⁶.
5.Matrices et déterminants
Réponse: det A = 89
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 = 26, M₁₂ = 10, M₁₃ = 27
Développement par cofacteurs
det A = 2·26 − (−1)·10 + 1·27 = 89
Réponse
det A = 89
6.Matrices et déterminants
Réponse: x = 2,061
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 = 4·(−6) − 5·5 = −49
Remplacer la colonne de x
det Aₓ = 11·(−6) − 5·7 = −101
x = −101/(−49) = 2,061
Réponse
x = 2,061
y = 0,551
7.Équations différentielles
Réponse: k = 0,1029 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−17k = -4/-23
Résoudre pour k
k = ln(-23/-4)/17 = 0,1029 min⁻¹
Réponse
k = 0,1029 min⁻¹
8.Équations différentielles
Réponse: m = 8,466 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 = 5·0,05 − (5/200)·m = 0,25 − 0,025·m
Résoudre
Le facteur intégrant est ert/V ; la solution tend vers l’équilibre c·V.