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 0,001.

f(x) = eˣ[a, b] = [0, 2]ε = 0,001
n =
2.Méthodes numériquesDifficile
00,10,20,30,4−1−0,5ty(0, −1)

Utilisez la méthode de Heun (Euler amélioré) avec h = 0,2 pour y′ = cos t − y, y(0) = −1 afin d’estimer y2 ≈ y(0,4).

y′ = cos t − yy(0) = −1h = 0,2
y2 =
3.Suites et sériesMoyen
AΣ 1/k⁴k = 1 … ∞BΣ 2/kk = 1 … ∞CΣ 10ᵏ/k!k = 1 … ∞DΣ (1/3)ᵏk = 1 … ∞

Exactement une des quatre séries diverge. Cliquez dessus.

A: Σ 1/k⁴B: Σ 2/kC: Σ 10ᵏ/k!D: Σ (1/3)ᵏ
  1. 1A: Σ 1/k⁴
  2. 2B: Σ 2/k
  3. 3C: Σ 10ᵏ/k!
  4. 4D: Σ (1/3)ᵏ
4.Suites et sériesDifficile

f(x) = eˣ est approchée en x = 2 par son polynôme de Maclaurin de degré n. Avec la majoration de Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! et M = 8, trouvez le plus petit degré n qui garantit une erreur inférieure à 0,0005.

f(x) = eˣx = 2M = 8ε = 0,0005
n =
5.Matrices et déterminantsMoyen
A =−5652B =3446

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

A = [−5 6; 5 2]B = [3 4; 4 6]
c22 =
6.Matrices et déterminantsDifficile
A =−2−12−1b =011

Résous le système −2x − y = 0 et 2x − y = 11. Trouve x.

−2x − y = 02x − y = 11
x =
7.Équations différentiellesMoyen
tyy(0) = 3y(0,5) = ?

Résolvez y″ + 2y′ + y = 0 avec y(0) = 3 et y′(0) = 2. Trouvez y(0,5).

y″ + 2y′ + y = 0y(0) = 3y′(0) = 2
y(0.5) =
8.Équations différentiellesDifficile
tyy(0) = 5y(1,5) = ?

Résolvez y″ + 2y′ + 26y = 0 avec y(0) = 5 et y′(0) = 0 (lâché sans vitesse initiale). Trouvez y(1,5) ; angles en radians.

y″ + 2y′ + 26y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(1.5) =

3Solutions

1.Méthodes numériques

Réponse: n = 71

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/(12·0,001) = 4926
n > 70,19 → n = 71

Réponse

n = 71
2.Méthodes numériques

Réponse: y2 = −0,3559

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₊₁00−121,580067−0,64199310,2−0,6419931,622061,238642−0,355923

Pas de Heun

y₁ = −1 + (0,2/2)(2 + 1,580067) = −0,641993
y₂ = −0,641993 + (0,2/2)(1,62206 + 1,238642) = −0,355923
00,10,20,30,4−1−0,5ty

Graphique

y2 = −0,3559

Réponse

y2 = −0,3559
3.Suites et séries

Réponse: B: Σ 2/k

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/k⁴ → Série de Riemann avec p = 4 > 1 : converge.
B: Σ 2/k → Un multiple de la série harmonique (p = 1) : diverge.
C: Σ 10ᵏ/k! → Test du rapport : L = lim 10/(k + 1) = 0 < 1, converge.
D: Σ (1/3)ᵏ → Géométrique de raison r = 1/3, |r| < 1 : converge.

La réponse

B: Σ 2/k

Réponse

B: Σ 2/k
4.Suites et séries

Réponse: n = 10

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)!majoration011612162610,673245,33341202,13357200,7111650400,20327403200,0507983628800,01129936288000,00225710399168000,0004105

Majorations pour n croissant

n = 9: 0,002257 ≥ 0,0005
n = 10: 0,0004105 < 0,0005

Plus petit degré

n = 10

Réponse

n = 10
5.Matrices et déterminants

Réponse: c22 = 32

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 + 2·6 = 32

Réponse

c22 = 32
6.Matrices et déterminants

Réponse: x = 2,75

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 = (−2)·(−1) − (−1)·2 = 4

Remplacer la colonne de x

det Aₓ = 0·(−1) − (−1)·11 = 11
x = 11/4 = 2,75

Réponse

x = 2,75
y = −5,5
7.Équations différentielles

Réponse: y(0.5) = 3,336

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 + 1)² = 0 → r = −1

Constantes

A = y(0) = 3
y′(0) = B − 1A → B = 2 + 3 = 5

Évaluer

y(0,5) = (3 + 5·0,5)·e−0,5 = 3,336

Réponse

y(0,5) = 3,336
8.Équations différentielles

Réponse: y(1.5) = 0,596

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 ± 5j

Constantes

A = 5, B = 1·5/5 = 1

Évaluer

y(1,5) = e−1,5(5·cos 7,5 + 1·sin 7,5) = 0,596

Réponse

y(1,5) = 0,596

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