Méthodes numériques : pack de révision

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

Nouveaux exercicesRetour au cours

Dans la fenêtre d’impression, choisissez « Enregistrer au format PDF » pour garder une copie sur votre appareil.

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 ∫13 1/x dx. L’erreur est au plus (b − a)³·M/(12n²) avec M = max|f″| sur [1, 3]. Trouvez le plus petit nombre de bandes n qui garantit une erreur inférieure à 0,0001.

f(x) = 1/x[a, b] = [1, 3]ε = 0,0001
n =
2.Méthodes numériquesDifficile
00,20,40,51ty(0, 0,5)

Utilisez la méthode d’Euler avec h = 0,1 pour y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 0,5 afin d’estimer y5 ≈ y(0,5).

y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0,5h = 0,1
y5 =
3.Suites et sériesMoyen
xx₀ = −2??R

La série entière Σk=1∞ (2k)!·(x + 2)ᵏ/(k!)² converge sur un intervalle autour de x₀ = −2. Trouvez l’extrémité droite x de cet intervalle.

Σ (2k)!·(x + 2)ᵏ/(k!)²x₀ = −2
x =
4.Suites et sériesDifficile

f(x) = eˣ est approchée en x = 0,5 par son polynôme de Maclaurin de degré n. Avec la majoration de Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! et M = 2, trouvez le plus petit degré n qui garantit une erreur inférieure à 0,0001.

f(x) = eˣx = 0,5M = 2ε = 0,0001
n =
5.Matrices et déterminantsMoyen
A =4−24−243−4−11

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

A = [4 −2 4; −2 4 3; −4 −1 1]
det A =
6.Matrices et déterminantsDifficile
A =−13−79

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

A = [−1 3; −7 9]
λ =
7.Équations différentiellesMoyen
t (min)T (°C)14Ta​T = ?

Une canette de soda à 3 °C est sortie du réfrigérateur dans une pièce à 27 °C. Elle suit la loi de refroidissement de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Avec k = 0,08 min⁻¹, trouvez sa température T au bout de 14 min.

T0 = 3 °CTa = 27 °Ck = 0,08 min⁻¹t = 14 min
T = °C
8.Équations différentiellesDifficile
tyy(0) = 5y(1) = ?

Résolvez y″ + 2y′ + 10y = 0 avec y(0) = 5 et y′(0) = 0 (lâché sans vitesse initiale). Trouvez y(1) ; angles en radians.

y″ + 2y′ + 10y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(1) =

3Solutions

1.Méthodes numériques

Réponse: n = 116

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 = 2/1³ = 2

Résoudre pour n

n² > 8·2/(12·0,0001) = 13333
n > 115,5 → n = 116

Réponse

n = 116
2.Méthodes numériques

Réponse: y5 = 1,081

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₊₁000,510,610,10,61,0599640,70599620,20,7059961,1407310,82006930,30,8200691,2435470,94442440,40,9444241,3688481,081309

Pas d’Euler

y₁ = 0,5 + 0,1·(1) = 0,6
y₂ = 0,6 + 0,1·(1,059964) = 0,705996
y₃ = 0,705996 + 0,1·(1,140731) = 0,820069
y₄ = 0,820069 + 0,1·(1,243547) = 0,944424
y₅ = 0,944424 + 0,1·(1,368848) = 1,081309
00,20,40,51ty

Graphique

y5 = 1,081

Réponse

y5 = 1,081
3.Suites et séries

Réponse: x = −1,75

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+1/ck = (2k + 2)(2k + 1)/(k + 1)² → 4, donc R = 1/4

Rayon

R = 0,25

Intervalle

−2,25 < x < −1,75
x = −1,75

Réponse

x = −1,75

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

4.Suites et séries

Réponse: n = 5

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.

n(n + 1)!majoration011120,25260,041673240,00520841200,000520857204,34 × 10⁻⁵

Majorations pour n croissant

n = 4: 0,0005208 ≥ 0,0001
n = 5: 4,34 × 10⁻⁵ < 0,0001

Plus petit degré

n = 5

Réponse

n = 5
5.Matrices et déterminants

Réponse: det A = 120

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 = 7, M₁₂ = 10, M₁₃ = 18

Développement par cofacteurs

det A = 4·7 − (−2)·10 + 4·18 = 120

Réponse

det A = 120
6.Matrices et déterminants

Réponse: λ = 6

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 − (8)λ + (12) = 0

Résoudre

λ = (8 ± √(16))/2 → λ = 2, 6
λ = 6

Réponse

λ = 6
7.Équations différentielles

Réponse: T = 19,17 °C

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.

Solution de la loi de refroidissement

T(t) = 27 + (−24)·e−0,08t

Remplacer t

T(14) = 27 + (−24)·0,3263 = 19,17 °C

Réponse

T = 19,17 °C
8.Équations différentielles

Réponse: y(1) = −1,734

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 complexes

r = −1 ± 3j

Constantes

A = 5, B = 1·5/3 = 1,667

Évaluer

y(1) = e−1(5·cos 3 + 1,667·sin 3) = −1,734

Réponse

y(1) = −1,734

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods