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 + x³) dx par la méthode des trapèzes avec n = 4 bandes. Donnez T.

f(x) = 1/(1 + x³)[a, b] = [0, 1,5]n = 4
T =
2.Méthodes numériquesDifficile
00,20,40,60,511,5ty(0, 0,5)

Utilisez la méthode de Heun (Euler amélioré) avec h = 0,25 pour y′ = 1 + sin(ty), y(0) = 0,5 afin d’estimer y3 ≈ y(0,75).

y′ = 1 + sin(ty)y(0) = 0,5h = 0,25
y3 =
3.Suites et sériesMoyen
AΣ 3ᵏ/k²k = 1 … ∞BΣ (−1)ᵏ/kk = 1 … ∞CΣ (4/5)ᵏk = 1 … ∞DΣ 1/(2ᵏ + k)k = 1 … ∞

Exactement une des quatre séries diverge. Cliquez dessus.

A: Σ 3ᵏ/k²B: Σ (−1)ᵏ/kC: Σ (4/5)ᵏD: Σ 1/(2ᵏ + k)
  1. 1A: Σ 3ᵏ/k²
  2. 2B: Σ (−1)ᵏ/k
  3. 3C: Σ (4/5)ᵏ
  4. 4D: Σ 1/(2ᵏ + k)
4.Suites et sériesDifficile

Trouvez le coefficient c₃ de (x − 5)³ dans la série de Taylor de f(x) = 1/x en a = 5.

f(x) = 1/xa = 5k = 3
c₃ =
5.Matrices et déterminantsMoyen
A =21−33B =−6−6−24

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

A = [2 1; −3 3]B = [−6 −6; −2 4]
c22 =
6.Matrices et déterminantsDifficile
A =61−6−1

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

A = [6 1; −6 −1]
λ =
7.Équations différentiellesMoyen
tyy(0) = 2y(0,5) = ?

Résolvez y″ + 6y′ + 9y = 0 avec y(0) = 2 et y′(0) = -1. Trouvez y(0,5).

y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 2y′(0) = -1
y(0.5) =
8.Équations différentiellesDifficile
tyK = 2ymax​ = ?

Un système obéit à y″ + 3y′ + 11,25y = 22,5 pour t ≥ 0, à partir du repos : y(0) = 0, y′(0) = 0. Trouvez la valeur de pic ymax de sa réponse indicielle.

y″ + 3y′ + 11,25y = 22,5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =

3Solutions

1.Méthodes numériques

Réponse: T = 1,005

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)poids001110,3750,949907220,750,703297231,1250,412571241,50,2285711

Nœuds et valeurs

h = 0,375
Σ wᵢfᵢ = 1 + 2·0,949907 + 2·0,703297 + 2·0,412571 + 0,228571 = 5,36012

Méthode des trapèzes

T = (0,375/2)·5,36012 = 1,005

Réponse

T = 1,005

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

2.Méthodes numériques

Réponse: y3 = 1,54

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₊₁000,511,1864030,773310,250,77331,1921231,5104141,11111720,51,1111171,5274181,8999821,539543

Pas de Heun

y₁ = 0,5 + (0,25/2)(1 + 1,186403) = 0,7733
y₂ = 0,7733 + (0,25/2)(1,192123 + 1,510414) = 1,111117
y₃ = 1,111117 + (0,25/2)(1,527418 + 1,899982) = 1,539543
00,20,40,60,511,5ty

Graphique

y3 = 1,54

Réponse

y3 = 1,54
3.Suites et séries

Réponse: A: Σ 3ᵏ/k²

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 3ᵏ/k² → Test du rapport : L = 3 > 1, diverge.
B: Σ (−1)ᵏ/k → Alternée, avec 1/k décroissant vers 0 : converge (conditionnellement).
C: Σ (4/5)ᵏ → Géométrique de raison r = 4/5, |r| < 1 : converge.
D: Σ 1/(2ᵏ + k) → Inférieur à (1/2)ᵏ, une série géométrique convergente : converge par comparaison.

La réponse

A: Σ 3ᵏ/k²

Réponse

A: Σ 3ᵏ/k²
4.Suites et séries

Réponse: c₃ = −0,0016

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) = −6/x⁴

Coefficient

c₃ = −6/(5⁴·6) = −0,0016
c₃ = −0,0016

Réponse

c₃ = −0,0016
5.Matrices et déterminants

Réponse: c22 = 30

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 = (−3)·(−6) + 3·4 = 30

Réponse

c22 = 30
6.Matrices et déterminants

Réponse: λ = 5

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 + (0) = 0

Résoudre

λ = (5 ± √(25))/2 → λ = 0, 5
λ = 5

Réponse

λ = 5
7.Équations différentielles

Réponse: y(0.5) = 1,004

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 + 3)² = 0 → r = −3

Constantes

A = y(0) = 2
y′(0) = B − 3A → B = -1 + 6 = 5

Évaluer

y(0,5) = (2 + 5·0,5)·e−1,5 = 1,004

Réponse

y(0,5) = 1,004
8.Équations différentielles

Réponse: ymax = 2,416

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 = 2, r = −1,5 ± 3j

Constantes à partir des valeurs initiales

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

Pic

t = π/3 = 1,047
ymax = 2·(1 + e−1,5·π/3) = 2,416

Réponse

ymax = 2,416

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