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
t (s)02468v (m/s)47111415

La vitesse d’un véhicule est mesurée toutes les 2 s (tableau). Estimez la distance s parcourue de t = 0 à t = 8 s avec la méthode des trapèzes.

h = 2 sn = 4
s = m
2.Méthodes numériquesDifficile
00,510,40,60,81ty(0, 0,5)

Résolvez y′ = y − t², y(0) = 0,5 avec la méthode d’Euler et le pas h = 0,25 jusqu’à t = 1. La solution exacte est y = t² + 2t + 2 + (y₀ − 2)eᵗ. Trouvez l’erreur globale |E| = |y(1) − y4|.

y′ = y − t²y(0) = 0,5h = 0,25
|E| =
3.Suites et sériesMoyen
kSn​12345678910S = ?

Trouvez la somme S = Σk=1∞ 12/(k(k + 3)).

ak = 12/(k(k + 3))
S =
4.Suites et sériesDifficile

Trouvez le coefficient c₃ de (x − 3)³ dans la série de Taylor de f(x) = ln x en a = 3.

f(x) = ln xa = 3k = 3
c₃ =
5.Matrices et déterminantsMoyen
A =−3−4023−1−31−2

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

A = [−3 −4 0; 2 3 −1; −3 1 −2]
det A =
6.Matrices et déterminantsDifficile
A =5−36−4

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

A = [5 −3; 6 −4]
λ =
7.Équations différentiellesMoyen
tyy(0) = 4y(0,5) = ?

Résolvez y″ + 3y′ + 2y = 0 avec y(0) = 4 et y′(0) = 6. Trouvez y(0,5).

y″ + 3y′ + 2y = 0y(0) = 4y′(0) = 6
y(0.5) =
8.Équations différentiellesDifficile
t (min)m (kg)t = ?23 kg

Une cuve contient 500 L d’eau dans laquelle 5 kg de sel sont dissous. De la saumure contenant 0,1 kg de sel par litre entre à 20 L/min, et la solution bien mélangée sort au même débit. Au bout de combien de minutes t la cuve contient-elle 23 kg de sel ?

V = 500 Lm0 = 5 kgc = 0,1 kg/Lr = 20 L/min
t = min

3Solutions

1.Méthodes numériques

Réponse: s = 83 m

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.

Somme pondérée

4 + 2·7 + 2·11 + 2·14 + 15 = 83

Méthode des trapèzes

s = (2/2)·83 = 83 m

Réponse

s = 83 m
2.Méthodes numériques

Réponse: |E| = 0,05496

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₊₁000,50,50,62510,250,6250,56250,76562520,50,7656250,5156250,89453130,750,8945310,3320310,977539

Pas d’Euler

y4 = 0,977539

Valeur exacte

y(1) = 0,922577

Erreur globale

|E| = |0,922577 − 0,977539| = 0,05496
00,510,40,60,81ty

Graphique

Réponse

|E| = 0,05496

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

3.Suites et séries

Réponse: S = 7,333

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.

Décomposition en éléments simples

12/(k(k + 3)) = (12/3)·(1/k − 1/(k + 3))

Annuler

S = (12/3)·(1 + 1/2 + 1/3) = 7,333

Réponse

S = 7,333
4.Suites et séries

Réponse: c₃ = 0,01235

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.

Dérivée f⁽³⁾

f⁽³⁾(x) = 2/x³

Coefficient

c₃ = f⁽³⁾(3)/3! = 2/(3³·6) = 0,01235
c₃ = 0,01235

Réponse

c₃ = 0,01235
5.Matrices et déterminants

Réponse: det A = −13

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 = −5, M₁₂ = −7, M₁₃ = 11

Développement par cofacteurs

det A = (−3)·(−5) − (−4)·(−7) + 0·11 = −13

Réponse

det A = −13
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 − (1)λ + (−2) = 0

Résoudre

λ = (1 ± √(9))/2 → λ = −1, 2
λ = 2

Réponse

λ = 2
7.Équations différentielles

Réponse: y(0.5) = 4,813

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 caractéristiques

(r + 1)(r + 2) = 0 → r = −1, −2

Constantes à partir des valeurs initiales

A + B = 4, −1A − 2B = 6
A = 14, B = −10

Évaluer

y(0,5) = 14·e−0,5 + (−10)·e−1 = 4,813

Réponse

y(0,5) = 4,813
8.Équations différentielles

Réponse: t = 12,77 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.

Résultat

m(t) = 50 + (−45)·e−t/25

Résoudre pour t

e−t/25 = (50 − 23)/(50 − 5) = 0,6
t = 25·ln(1,667) = 12,77 min

Réponse

t = 12,77 min

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods