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

La méthode des trapèzes est utilisée pour ∫01 eˣ 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 0,0001.

f(x) = eˣ[a, b] = [0, 1]ε = 0,0001
n =
2.Méthodes numériquesDifficile
00,10,20,300,2ty(0, 0)

Utilisez la méthode de Heun (Euler amélioré) avec h = 0,1 pour y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 0 afin d’estimer y3 ≈ y(0,3).

y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0h = 0,1
y3 =
3.Suites et sériesMoyen
xx₀ = 0??R

Trouvez le rayon de convergence R de la série entière Σk=1∞ k²·4ᵏ·xᵏ.

Σ k²·4ᵏ·xᵏx₀ = 0
R =
4.Suites et sériesDifficile

f(x) = cos x est approchée par son polynôme de Maclaurin de degré 5 en x = 1,5. 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 = 1,5M = 1
|R₅| =
5.Matrices et déterminantsMoyen
A =4−45−535−22−4

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

A = [4 −4 5; −5 3 5; −2 2 −4]
det A =
6.Matrices et déterminantsDifficile
A =−35−53b =−3−9

Résous le système −3x + 5y = −3 et −5x + 3y = −9. Trouve x.

−3x + 5y = −3−5x + 3y = −9
x =
7.Équations différentiellesMoyen
tyy(0) = 3y(1) = ?

Résolvez y″ + 4y′ + 4y = 0 avec y(0) = 3 et y′(0) = 2. Trouvez y(1).

y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 3y′(0) = 2
y(1) =
8.Équations différentiellesDifficile
xy13(1, −1)y(3) = ?

Résolvez le problème de Cauchy y′ + y/x = x pour x > 0, avec y(1) = −1. Trouvez y(3).

y′ + y/x = xy(1) = −1
y(3) =

3Solutions

1.Méthodes numériques

Réponse: n = 48

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 = e1 = 2,718

Résoudre pour n

n² > 1·2,718/(12·0,0001) = 2265
n > 47,59 → n = 48

Réponse

n = 48
2.Méthodes numériques

Réponse: y3 = 0,3096

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.

ntₙyₙk₁k₂yₙ₊₁00011,010,100510,10,10051,010051,040290,20301720,20,2030171,0405921,0919930,309646

Pas de Heun

y₁ = 0 + (0,1/2)(1 + 1,01) = 0,1005
y₂ = 0,1005 + (0,1/2)(1,01005 + 1,04029) = 0,203017
y₃ = 0,203017 + (0,1/2)(1,040592 + 1,091993) = 0,309646
00,10,20,300,2ty

Graphique

y3 = 0,3096

Réponse

y3 = 0,3096
3.Suites et séries

Réponse: R = 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.

Coefficients

ck/ck+1 = (1/4)·(k/(k + 1))² → 1/4

Rayon

R = 0,25

Réponse

R = 0,25

Le test du rapport ne dit rien aux deux extrémités ; il faut les vérifier séparément.

4.Suites et séries

Réponse: |R₅| = 0,01582

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| ≤ 1·1,5⁶/6! = 0,01582

Réponse

|R₅| = 0,01582

L’erreur réelle est plus petite : |f(1,5) − P₅(1,5)| = 0,0152.

5.Matrices et déterminants

Réponse: det A = 12

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 = −22, M₁₂ = 30, M₁₃ = −4

Développement par cofacteurs

det A = 4·(−22) − (−4)·30 + 5·(−4) = 12

Réponse

det A = 12
6.Matrices et déterminants

Réponse: x = 2,25

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 = (−3)·3 − 5·(−5) = 16

Remplacer la colonne de x

det Aₓ = (−3)·3 − 5·(−9) = 36
x = 36/16 = 2,25

Réponse

x = 2,25
y = 0,75
7.Équations différentielles

Réponse: y(1) = 1,489

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.

Racine double

(r + 2)² = 0 → r = −2

Constantes

A = y(0) = 3
y′(0) = B − 2A → B = 2 + 6 = 8

Évaluer

y(1) = (3 + 8·1)·e−2 = 1,489

Réponse

y(1) = 1,489
8.Équations différentielles

Réponse: y(3) = 2,556

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∫1/x dx = x1

Intégrer

(x1y)′ = x2 → x1y = 1x3/3 + C

Condition initiale

−1 = 1/3 + C → C = −1,333

Évaluer

y(3) = (1·33/3 + (−1,333))/31 = 2,556

Réponse

y(3) = 2,556

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