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
xy00,3750,751,1251,5

Approchez ∫01,5 1/√(1 + x⁴) dx par la méthode des trapèzes avec n = 4 bandes. Donnez T.

f(x) = 1/√(1 + x⁴)[a, b] = [0, 1,5]n = 4
T =
2.Méthodes numériquesDifficile
00,5111,52ty(0, 1)

Utilisez la méthode d’Euler avec h = 0,25 pour y′ = y(2 − y), y(0) = 1 afin d’estimer y4 ≈ y(1).

y′ = y(2 − y)y(0) = 1h = 0,25
y4 =
3.Suites et sériesMoyen
AΣ 1/√kk = 1 … ∞BΣ (−1)ᵏ/kk = 1 … ∞CΣ 1/k⁴k = 1 … ∞DΣ k³/5ᵏk = 1 … ∞

Exactement une des quatre séries diverge. Cliquez dessus.

A: Σ 1/√kB: Σ (−1)ᵏ/kC: Σ 1/k⁴D: Σ k³/5ᵏ
  1. 1A: Σ 1/√k
  2. 2B: Σ (−1)ᵏ/k
  3. 3C: Σ 1/k⁴
  4. 4D: Σ k³/5ᵏ
4.Suites et sériesDifficile

f(x) = sin x 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 = 1, trouvez le plus petit degré n qui garantit une erreur inférieure à 0,0001.

f(x) = sin xx = 2M = 1ε = 0,0001
n =
5.Matrices et déterminantsMoyen
A =−2−34−4−52−5−3−4

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

A = [−2 −3 4; −4 −5 2; −5 −3 −4]
det A =
6.Matrices et déterminantsDifficile
A =−312−2

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

A = [−3 1; 2 −2]
λ =
7.Équations différentiellesMoyen
t (min)T (°C)14Ta​21 °C27 °C

Une canette de soda à 6 °C est sortie du réfrigérateur dans une pièce à 29 °C. Au bout de 14 min, sa température est de 21 °C. Elle suit la loi de refroidissement de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Combien de temps après le début, t, lui faut-il pour atteindre 27 °C ?

T0 = 6 °CTa = 29 °CT(14) = 21 °CT = 27 °C
t = min
8.Équations différentiellesDifficile
tyy(0) = 2y(0,75) = ?

Résolvez y″ + y′ + 9,25y = 0 avec y(0) = 2 et y′(0) = 0 (lâché sans vitesse initiale). Trouvez y(0,75) ; angles en radians.

y″ + y′ + 9,25y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(0.75) =

3Solutions

1.Méthodes numériques

Réponse: T = 1,194

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.

ixᵢf(xᵢ)poids001110,3750,990257220,750,871576231,1250,619958241,50,4061381

Nœuds et valeurs

h = 0,375
Σ wᵢfᵢ = 1 + 2·0,990257 + 2·0,871576 + 2·0,619958 + 0,406138 = 6,369719

Méthode des trapèzes

T = (0,375/2)·6,369719 = 1,194

Réponse

T = 1,194

Cette intégrale n’a pas de primitive élémentaire, ce qui est exactement le cas où une méthode numérique est nécessaire.

2.Méthodes numériques

Réponse: y4 = 1,812

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₊₁00111,2510,251,250,93751,48437520,51,4843750,7653811,6757230,751,675720,5434021,811571

Pas d’Euler

y₁ = 1 + 0,25·(1) = 1,25
y₂ = 1,25 + 0,25·(0,9375) = 1,484375
y₃ = 1,484375 + 0,25·(0,765381) = 1,67572
y₄ = 1,67572 + 0,25·(0,543402) = 1,811571
00,5111,52ty

Graphique

y4 = 1,812

Réponse

y4 = 1,812

La valeur exacte est y(1) = 1,761594.

3.Suites et séries

Réponse: A: Σ 1/√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/√k → Série de Riemann avec p = 1/2 ≤ 1 : diverge.
B: Σ (−1)ᵏ/k → Alternée, avec 1/k décroissant vers 0 : converge (conditionnellement).
C: Σ 1/k⁴ → Série de Riemann avec p = 4 > 1 : converge.
D: Σ k³/5ᵏ → Test du rapport : L = 1/5 < 1, converge.

La réponse

A: Σ 1/√k

Réponse

A: Σ 1/√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)!majoration012122261,3333240,666741200,266757200,08889650400,02547403200,00634983628800,001411936288000,000282210399168005,131 × 10⁻⁵

Majorations pour n croissant

n = 9: 0,0002822 ≥ 0,0001
n = 10: 5,131 × 10⁻⁵ < 0,0001

Plus petit degré

n = 10

Réponse

n = 10
5.Matrices et déterminants

Réponse: det A = −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.

Mineurs 2×2 de la première ligne

M₁₁ = 26, M₁₂ = 26, M₁₃ = −13

Développement par cofacteurs

det A = (−2)·26 − (−3)·26 + 4·(−13) = −26

Réponse

det A = −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 − (−5)λ + (4) = 0

Résoudre

λ = (−5 ± √(9))/2 → λ = −4, −1
λ = −1

Réponse

λ = −1
7.Équations différentielles

Réponse: t = 32,38 min

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.

Constante de refroidissement

k = ln(-23/-8)/14 = 0,07543 min⁻¹

Temps pour atteindre la valeur visée

t = ln(-23/(−2))/0,07543 = 32,38 min

Réponse

t = 32,38 min
8.Équations différentielles

Réponse: y(0.75) = −0,6852

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 = −0,5 ± 3j

Constantes

A = 2, B = 0,5·2/3 = 0,3333

Évaluer

y(0,75) = e−0,375(2·cos 2,25 + 0,3333·sin 2,25) = −0,6852

Réponse

y(0,75) = −0,6852

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