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 ∫02 eˣ dx. L’erreur est au plus (b − a)³·M/(12n²) avec M = max|f″| sur [0, 2]. Trouvez le plus petit nombre de bandes n qui garantit une erreur inférieure à 0,0001.

f(x) = eˣ[a, b] = [0, 2]ε = 0,0001
n =
2.Méthodes numériquesDifficile
00,10,20,30,434ty(0, 3)

Utilisez la méthode de Heun (Euler amélioré) avec h = 0,2 pour y′ = t + y, y(0) = 3 afin d’estimer y2 ≈ y(0,4).

y′ = t + yy(0) = 3h = 0,2
y2 =
3.Suites et sériesMoyen
k|aₖ₊₁/aₖ|123456789101112

Appliquez le test du rapport à Σk=1∞ kᵏ/(3ᵏ·k!). Trouvez L = lim |ak+1/ak|.

ak = kᵏ/(3ᵏ·k!)
L =
4.Suites et sériesDifficile
xyfP₄0,25

Utilisez le polynôme de Maclaurin de degré 4 de f(x) = 1/(1 − 2x) pour approcher f(0,25). Donnez P₄(0,25).

f(x) = 1/(1 − 2x)n = 4x = 0,25
P₄(0.25) =
5.Matrices et déterminantsMoyen
A =−3−3−5−1B =−2−44−4

Soit C = AB pour les matrices représentées. Trouve le coefficient c22 (ligne 2, colonne 2).

A = [−3 −3; −5 −1]B = [−2 −4; 4 −4]
c22 =
6.Matrices et déterminantsDifficile
A =−64−13b =9−9

Résous le système −6x + 4y = 9 et −x + 3y = −9. Trouve x.

−6x + 4y = 9−x + 3y = −9
x =
7.Équations différentiellesMoyen
tyy(0) = 3y(1,5) = ?

Résolvez y″ + 6y′ + 5y = 0 avec y(0) = 3 et y′(0) = 0. Trouvez y(1,5).

y″ + 6y′ + 5y = 0y(0) = 3y′(0) = 0
y(1.5) =
8.Équations différentiellesDifficile
t (min)m (kg)35 minm = ?

Une cuve contient 100 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 35 min ?

V = 100 Lm0 = 0 kgc = 0,05 kg/Lr = 5 L/min
m = kg

3Solutions

1.Méthodes numériques

Réponse: n = 222

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 = e2 = 7,389

Résoudre pour n

n² > 8·7,389/(12·0,0001) = 49260
n > 221,9 → n = 222

Réponse

n = 222
2.Méthodes numériques

Réponse: y2 = 4,554

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₊₁00333,83,6810,23,683,884,8564,5536

Pas de Heun

y₁ = 3 + (0,2/2)(3 + 3,8) = 3,68
y₂ = 3,68 + (0,2/2)(3,88 + 4,856) = 4,5536
00,10,20,30,434ty

Graphique

y2 = 4,554

Réponse

y2 = 4,554

La valeur exacte est y(0,4) = 4,567299.

3.Suites et séries

Réponse: L = 0,9061

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 + 1/k)ᵏ/3 → e/3

Conclusion

L = 0,9061 < 1

Réponse

L = 0,9061

L < 1, donc la série converge.

4.Suites et séries

Réponse: P₄(0.25) = 1,938

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.

Polynôme de Maclaurin

P₄(x) = 1 + 2x + 4x² + 8x³ + 16x⁴

Remplacer

P₄(0,25) = 1 + 0,5 + 0,25 + 0,125 + 0,0625 = 1,938

Réponse

P₄(0,25) = 1,938

La valeur exacte est f(0,25) = 2 ; l’erreur 0,0625 diminue quand on prend plus de termes ou un point plus proche de 0.

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) + (−1)·(−4) = 24

Réponse

c22 = 24
6.Matrices et déterminants

Réponse: x = −4,5

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)·3 − 4·(−1) = −14

Remplacer la colonne de x

det Aₓ = 9·3 − 4·(−9) = 63
x = 63/(−14) = −4,5

Réponse

x = −4,5
y = −4,5
7.Équations différentielles

Réponse: y(1.5) = 0,8363

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 + 1)(r + 5) = 0 → r = −1, −5

Constantes à partir des valeurs initiales

A + B = 3, −1A − 5B = 0
A = 3,75, B = −0,75

Évaluer

y(1,5) = 3,75·e−1,5 + (−0,75)·e−7,5 = 0,8363

Réponse

y(1,5) = 0,8363
8.Équations différentielles

Réponse: m = 4,131 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 − (5/100)·m = 0,25 − 0,05·m

Résoudre

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

m(t) = 5 + (−5)·e−t/20

Remplacer t

m(35) = 5 + (−5)·0,1738 = 4,131 kg

Réponse

m = 4,131 kg

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