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 ∫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
00,51−1−0,5ty(0, −1)

Utilisez la méthode d’Euler avec h = 0,25 pour y′ = −y, y(0) = −1 afin d’estimer y4 ≈ y(1).

y′ = −yy(0) = −1h = 0,25
y4 =
3.Suites et sériesMoyen
AΣ (−1)ᵏ/kk = 1 … ∞BΣ (k + 3)/k²k = 1 … ∞CΣ 1/(k² + 1)k = 1 … ∞DΣ (1/3)ᵏk = 1 … ∞

Exactement une des quatre séries diverge. Cliquez dessus.

A: Σ (−1)ᵏ/kB: Σ (k + 3)/k²C: Σ 1/(k² + 1)D: Σ (1/3)ᵏ
  1. 1A: Σ (−1)ᵏ/k
  2. 2B: Σ (k + 3)/k²
  3. 3C: Σ 1/(k² + 1)
  4. 4D: Σ (1/3)ᵏ
4.Suites et sériesDifficile
xyfP₃−1,5

Utilisez le polynôme de Maclaurin de degré 3 de f(x) = e−x pour approcher f(−1,5). Donnez P₃(−1,5).

f(x) = e−xn = 3x = −1,5
P₃(−1.5) =
5.Matrices et déterminantsMoyen
A =−5−3−2−5B =3−140

Soit C = AB pour les matrices représentées. Trouve le coefficient c21 (ligne 2, colonne 1).

A = [−5 −3; −2 −5]B = [3 −1; 4 0]
c21 =
6.Matrices et déterminantsDifficile
A =1−32−4

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

A = [1 −3; 2 −4]
λ =
7.Équations différentiellesMoyen
tyy(0) = 1y(1) = ?

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

y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 1y′(0) = -2
y(1) =
8.Équations différentiellesDifficile
tyy(0) = 5y(1,5) = ?

Résolvez y″ + 4y′ + 13y = 0 avec y(0) = 5 et y′(0) = 0 (lâché sans vitesse initiale). Trouvez y(1,5) ; angles en radians.

y″ + 4y′ + 13y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(1.5) =

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: y4 = −0,3164

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₊₁00−11−0,7510,25−0,750,75−0,562520,5−0,56250,5625−0,42187530,75−0,4218750,421875−0,316406

Pas d’Euler

y₁ = −1 + 0,25·(1) = −0,75
y₂ = −0,75 + 0,25·(0,75) = −0,5625
y₃ = −0,5625 + 0,25·(0,5625) = −0,421875
y₄ = −0,421875 + 0,25·(0,421875) = −0,316406
00,51−1−0,5ty

Graphique

y4 = −0,3164

Réponse

y4 = −0,3164

La valeur exacte est y(1) = −0,367879.

3.Suites et séries

Réponse: B: 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 (−1)ᵏ/k → Alternée, avec 1/k décroissant vers 0 : converge (conditionnellement).
B: Σ (k + 3)/k² → Se comporte comme 1/k pour k grand : diverge par comparaison avec la série harmonique.
C: Σ 1/(k² + 1) → Inférieur à 1/k², une série de Riemann convergente : converge par comparaison.
D: Σ (1/3)ᵏ → Géométrique de raison r = 1/3, |r| < 1 : converge.

La réponse

B: Σ (k + 3)/k²

Réponse

B: Σ (k + 3)/k²
4.Suites et séries

Réponse: P₃(−1.5) = 4,188

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

P₃(x) = 1 − x + 0,5x² − 0,1667x³

Remplacer

P₃(−1,5) = 1 + 1,5 + 1,125 + 0,5625 = 4,188

Réponse

P₃(−1,5) = 4,188

La valeur exacte est f(−1,5) = 4,481689 ; l’erreur 0,294189 diminue quand on prend plus de termes ou un point plus proche de 0.

5.Matrices et déterminants

Réponse: c21 = −26

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

c21 = (−2)·3 + (−5)·4 = −26

Réponse

c21 = −26
6.Matrices et déterminants

Réponse: λ = −1

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 − (−3)λ + (2) = 0

Résoudre

λ = (−3 ± √(1))/2 → λ = −2, −1
λ = −1

Réponse

λ = −1
7.Équations différentielles

Réponse: y(1) = 0,1353

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) = 1
y′(0) = B − 2A → B = -2 + 2 = 0

Évaluer

y(1) = (1 + 0·1)·e−2 = 0,1353

Réponse

y(1) = 0,1353
8.Équations différentielles

Réponse: y(1.5) = −0,2147

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 = −2 ± 3j

Constantes

A = 5, B = 2·5/3 = 3,333

Évaluer

y(1,5) = e−3(5·cos 4,5 + 3,333·sin 4,5) = −0,2147

Réponse

y(1,5) = −0,2147

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods