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 sin x 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) = sin x[a, b] = [0, 2]ε = 0,001
n =
2.Méthodes numériquesDifficile
00,511,5012ty(0, 2)

Résolvez y′ = −2ty, y(0) = 2 avec la méthode d’Euler et le pas h = 0,5 jusqu’à t = 1,5. La solution exacte est y = y₀e−t². Trouvez l’erreur globale |E| = |y(1,5) − y3|.

y′ = −2tyy(0) = 2h = 0,5
|E| =
3.Suites et sériesMoyen
AΣ (1 + 1/k)ᵏk = 1 … ∞BΣ (3/2)ᵏk = 1 … ∞CΣ (−1)ᵏ/kk = 1 … ∞DΣ 1/(5k + 2)k = 1 … ∞

Exactement une des quatre séries converge. Cliquez dessus.

A: Σ (1 + 1/k)ᵏB: Σ (3/2)ᵏC: Σ (−1)ᵏ/kD: Σ 1/(5k + 2)
  1. 1A: Σ (1 + 1/k)ᵏ
  2. 2B: Σ (3/2)ᵏ
  3. 3C: Σ (−1)ᵏ/k
  4. 4D: Σ 1/(5k + 2)
4.Suites et sériesDifficile

f(x) = ln(1 + x) est approchée par son polynôme de Maclaurin de degré 4 en x = 0,3. Utilisez la majoration de l’erreur de Lagrange M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! avec M = 4! = 24 pour trouver la plus grande erreur possible |R₄|.

f(x) = ln(1 + x)n = 4x = 0,3M = 24
|R₄| =
5.Matrices et déterminantsMoyen
A =16−5−1B =3254

Soit C = AB pour les matrices représentées. Trouve le coefficient c12 (ligne 1, colonne 2).

A = [1 6; −5 −1]B = [3 2; 5 4]
c12 =
6.Matrices et déterminantsDifficile
A =56−2−2

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

A = [5 6; −2 −2]
λ =
7.Équations différentiellesMoyen
t (min)T (°C)27Ta​T = ?

Une tasse de café à 82 °C est laissée dans une pièce à 23 °C. Elle suit la loi de refroidissement de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Avec k = 0,06 min⁻¹, trouvez sa température T au bout de 27 min.

T0 = 82 °CTa = 23 °Ck = 0,06 min⁻¹t = 27 min
T = °C
8.Équations différentiellesDifficile
tyK = 1y(0,75) = ?

Un système obéit à y″ + 3y′ + 27,25y = 27,25 pour t ≥ 0, à partir du repos : y(0) = 0, y′(0) = 0. Trouvez y(0,75) ; angles en radians.

y″ + 3y′ + 27,25y = 27,25y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.75) =

3Solutions

1.Méthodes numériques

Réponse: n = 26

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 = |sin(π/2)| = 1

Résoudre pour n

n² > 8·1/(12·0,001) = 666,7
n > 25,82 → n = 26

Réponse

n = 26
2.Méthodes numériques

Réponse: |E| = 0,2108

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₊₁0020210,52−21211−20

Pas d’Euler

y3 = 0

Valeur exacte

y(1,5) = 0,210798

Erreur globale

|E| = |0,210798 − 0| = 0,2108
00,511,5012ty

Graphique

Réponse

|E| = 0,2108

Diviser h par deux divise à peu près par deux l’erreur de la méthode d’Euler.

3.Suites et séries

Réponse: C: Σ (−1)ᵏ/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 + 1/k)ᵏ → Les termes tendent vers e, pas vers 0 : diverge d’après le test du terme général.
B: Σ (3/2)ᵏ → Géométrique de raison r = 3/2 > 1 : les termes croissent, donc elle diverge.
C: Σ (−1)ᵏ/k → Alternée, avec 1/k décroissant vers 0 : converge (conditionnellement).
D: Σ 1/(5k + 2) → Se comporte comme 1/(5k) pour k grand ; comparée à la série harmonique, elle diverge.

La réponse

C: Σ (−1)ᵏ/k

Réponse

C: Σ (−1)ᵏ/k
4.Suites et séries

Réponse: |R₄| = 0,000486

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 = 4! = 24

Majoration de Lagrange

|R₄| ≤ 24·0,3⁵/5! = 0,000486

Réponse

|R₄| = 0,000486

L’erreur réelle est plus petite : |f(0,3) − P₄(0,3)| = 0,0003893.

5.Matrices et déterminants

Réponse: c12 = 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

c12 = 1·2 + 6·4 = 26

Réponse

c12 = 26
6.Matrices et déterminants

Réponse: λ = 2

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 = 1, 2
λ = 2

Réponse

λ = 2
7.Équations différentielles

Réponse: T = 34,68 °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) = 23 + 59·e−0,06t

Remplacer t

T(27) = 23 + 59·0,1979 = 34,68 °C

Réponse

T = 34,68 °C
8.Équations différentielles

Réponse: y(0.75) = 1,322

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.

Valeur stationnaire et racines

yss = 1, r = −1,5 ± 5j

Constantes à partir des valeurs initiales

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

Évaluer

y(0,75) = 1·(1 − e−1,125(cos 3,75 + 0,3·sin 3,75)) = 1,322

Réponse

y(0,75) = 1,322

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods