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
xy00,250,50,7511,251,5

Approchez ∫01,5 e−x² dx par la méthode des trapèzes avec n = 6 bandes. Donnez T.

f(x) = e−x²[a, b] = [0, 1,5]n = 6
T =
2.Méthodes numériquesDifficile
00,20,40,61,52ty(0, 2)

Utilisez la méthode de Heun (Euler amélioré) avec h = 0,25 pour y′ = cos t − y, y(0) = 2 afin d’estimer y3 ≈ y(0,75).

y′ = cos t − yy(0) = 2h = 0,25
y3 =
3.Suites et sériesMoyen
AΣ k/(k + 5)k = 1 … ∞BΣ ln k / kk = 1 … ∞CΣ (1/2)ᵏk = 1 … ∞DΣ (3/2)ᵏk = 1 … ∞

Exactement une des quatre séries converge. Cliquez dessus.

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

f(x) = eˣ 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 = 8, trouvez le plus petit degré n qui garantit une erreur inférieure à 1 × 10⁻⁶.

f(x) = eˣx = 2M = 8ε = 1 × 10⁻⁶
n =
5.Matrices et déterminantsMoyen
A =−2−6−52B =536−1

Soit C = AB pour les matrices représentées. Trouve le coefficient c21 (ligne 2, colonne 1).

A = [−2 −6; −5 2]B = [5 3; 6 −1]
c21 =
6.Matrices et déterminantsDifficile
A =−6−422b =49

Résous le système −6x − 4y = 4 et 2x + 2y = 9. Trouve x.

−6x − 4y = 42x + 2y = 9
x =
7.Équations différentiellesMoyen
t (min)T (°C)13Ta​15 °C12 °C

Une canette de soda à 6 °C est sortie du réfrigérateur dans une pièce à 24 °C. Au bout de 13 min, sa température est de 15 °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 12 °C ?

T0 = 6 °CTa = 24 °CT(13) = 15 °CT = 12 °C
t = min
8.Équations différentiellesDifficile
tyK = 10y(1) = ?

Un système obéit à y″ + 4y′ + 13y = 130 pour t ≥ 0, à partir du repos : y(0) = 0, y′(0) = 0. Trouvez y(1) ; angles en radians.

y″ + 4y′ + 13y = 130y(0) = 0y′(0) = 0
y(1) =

3Solutions

1.Méthodes numériques

Réponse: T = 0,8545

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)poids001110,250,939413220,50,778801230,750,5697832410,367879251,250,209611261,50,1053991

Nœuds et valeurs

h = 0,25
Σ wᵢfᵢ = 1 + 2·0,939413 + 2·0,778801 + 2·0,569783 + 2·0,367879 + 2·0,209611 + 0,105399 = 6,836374

Méthode des trapèzes

T = (0,25/2)·6,836374 = 0,8545

Réponse

T = 0,8545

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 = 1,415

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₊₁002−1−0,7810881,77736410,251,777364−0,808452−0,6976691,58909920,51,589099−0,711516−0,6795311,415218

Pas de Heun

y₁ = 2 + (0,25/2)(−1 − 0,781088) = 1,777364
y₂ = 1,777364 + (0,25/2)(−0,808452 − 0,697669) = 1,589099
y₃ = 1,589099 + (0,25/2)(−0,711516 − 0,679531) = 1,415218
00,20,40,61,52ty

Graphique

y3 = 1,415

Réponse

y3 = 1,415
3.Suites et séries

Réponse: C: Σ (1/2)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 k/(k + 5) → Les termes tendent vers 1, pas vers 0 : diverge d’après le test du terme général.
B: Σ ln k / k → Supérieur à 1/k pour k ≥ 3 : diverge par comparaison avec la série harmonique.
C: Σ (1/2)ᵏ → Géométrique de raison r = 1/2, |r| < 1 : converge.
D: Σ (3/2)ᵏ → Géométrique de raison r = 3/2 > 1 : les termes croissent, donc elle diverge.

La réponse

C: Σ (1/2)ᵏ

Réponse

C: Σ (1/2)ᵏ
4.Suites et séries

Réponse: n = 14

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)!majoration3245,33341202,13357200,7111650400,20327403200,0507983628800,01129936288000,00225710399168000,0004105114790016006,841 × 10⁻⁵1262270208001,052 × 10⁻⁵13871782912001,503 × 10⁻⁶1413076743680002,005 × 10⁻⁷

Majorations pour n croissant

n = 13: 1,503 × 10⁻⁶ ≥ 1 × 10⁻⁶
n = 14: 2,005 × 10⁻⁷ < 1 × 10⁻⁶

Plus petit degré

n = 14

Réponse

n = 14
5.Matrices et déterminants

Réponse: c21 = −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.

Ligne fois colonne

c21 = (−5)·5 + 2·6 = −13

Réponse

c21 = −13
6.Matrices et déterminants

Réponse: x = −11

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.

Déterminant de la matrice des coefficients

det A = (−6)·2 − (−4)·2 = −4

Remplacer la colonne de x

det Aₓ = 4·2 − (−4)·9 = 44
x = 44/(−4) = −11

Réponse

x = −11
y = 15,5
7.Équations différentielles

Réponse: t = 7,605 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(-18/-9)/13 = 0,05332 min⁻¹

Temps pour atteindre la valeur visée

t = ln(-18/(−12))/0,05332 = 7,605 min

Réponse

t = 7,605 min
8.Équations différentielles

Réponse: y(1) = 11,21

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 = 10, r = −2 ± 3j

Constantes à partir des valeurs initiales

y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −2A + 3B = 0 → B = −6,667

Évaluer

y(1) = 10·(1 − e−2(cos 3 + 0,6667·sin 3)) = 11,21

Réponse

y(1) = 11,21

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