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
00,050,10,150,20,50,550,6ty(0, 0,5)

Utilisez la méthode de Heun (Euler amélioré) avec h = 0,1 pour y′ = cos t − y, y(0) = 0,5 afin d’estimer y2 ≈ y(0,2).

y′ = cos t − yy(0) = 0,5h = 0,1
y2 =
3.Suites et sériesMoyen
AΣ 2/kk = 1 … ∞BΣ (k + 5)/k²k = 1 … ∞CΣ k/(k + 2)k = 1 … ∞DΣ 5/k⁴k = 1 … ∞

Exactement une des quatre séries converge. Cliquez dessus.

A: Σ 2/kB: Σ (k + 5)/k²C: Σ k/(k + 2)D: Σ 5/k⁴
  1. 1A: Σ 2/k
  2. 2B: Σ (k + 5)/k²
  3. 3C: Σ k/(k + 2)
  4. 4D: Σ 5/k⁴
4.Suites et sériesDifficile
xyfP₂0,5

Utilisez le polynôme de Maclaurin de degré 2 de f(x) = 1/(1 − x) pour approcher f(0,5). Donnez P₂(0,5).

f(x) = 1/(1 − x)n = 2x = 0,5
P₂(0.5) =
5.Matrices et déterminantsMoyen
A =15−1445−522

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

A = [1 5 −1; 4 4 5; −5 2 2]
det A =
6.Matrices et déterminantsDifficile
A =−2−457

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

A = [−2 −4; 5 7]
λ =
7.Équations différentiellesMoyen
t (min)T (°C)22Ta​T = ?

Une tasse de café à 90 °C est laissée dans une pièce à 24 °C. Elle suit la loi de refroidissement de Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Avec k = 0,11 min⁻¹, trouvez sa température T au bout de 22 min.

T0 = 90 °CTa = 24 °Ck = 0,11 min⁻¹t = 22 min
T = °C
8.Équations différentiellesDifficile
t (min)m (kg)5 minm = ?

Une cuve contient 200 L d’eau dans laquelle 5 kg de sel sont dissous. De la saumure contenant 0,05 kg de sel par litre entre à 10 L/min, et la solution bien mélangée sort au même débit. Quelle quantité de sel m la cuve contient-elle au bout de 5 min ?

V = 200 Lm0 = 5 kgc = 0,05 kg/Lr = 10 L/min
m = kg

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 = 0,589

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₊₁000,50,50,4450040,5472510,10,547250,4477540,3880410,58904

Pas de Heun

y₁ = 0,5 + (0,1/2)(0,5 + 0,445004) = 0,54725
y₂ = 0,54725 + (0,1/2)(0,447754 + 0,388041) = 0,58904
00,050,10,150,20,50,550,6ty

Graphique

y2 = 0,589

Réponse

y2 = 0,589
3.Suites et séries

Réponse: D: Σ 5/k⁴

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 2/k → Un multiple de la série harmonique (p = 1) : diverge.
B: Σ (k + 5)/k² → Se comporte comme 1/k pour k grand : diverge par comparaison avec la série harmonique.
C: Σ k/(k + 2) → Les termes tendent vers 1, pas vers 0 : diverge d’après le test du terme général.
D: Σ 5/k⁴ → Série de Riemann avec p = 4 > 1 : converge.

La réponse

D: Σ 5/k⁴

Réponse

D: Σ 5/k⁴
4.Suites et séries

Réponse: P₂(0.5) = 1,75

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

P₂(x) = 1 + x + x²

Remplacer

P₂(0,5) = 1 + 0,5 + 0,25 = 1,75

Réponse

P₂(0,5) = 1,75

La valeur exacte est f(0,5) = 2 ; l’erreur 0,25 diminue quand on prend plus de termes ou un point plus proche de 0.

5.Matrices et déterminants

Réponse: det A = −195

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 = −2, M₁₂ = 33, M₁₃ = 28

Développement par cofacteurs

det A = 1·(−2) − 5·33 + (−1)·28 = −195

Réponse

det A = −195
6.Matrices et déterminants

Réponse: λ = 3

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 + (6) = 0

Résoudre

λ = (5 ± √(1))/2 → λ = 2, 3
λ = 3

Réponse

λ = 3
7.Équations différentielles

Réponse: T = 29,87 °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) = 24 + 66·e−0,11t

Remplacer t

T(22) = 24 + 66·0,08892 = 29,87 °C

Réponse

T = 29,87 °C
8.Équations différentielles

Réponse: m = 6,106 kg

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.

Mettre en équation

dm/dt = 10·0,05 − (10/200)·m = 0,5 − 0,05·m

Résoudre

Le facteur intégrant est ert/V ; la solution tend vers l’équilibre c·V.

m(t) = 10 + (−5)·e−t/20

Remplacer t

m(5) = 10 + (−5)·0,7788 = 6,106 kg

Réponse

m = 6,106 kg

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