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
xy123

Approchez ∫13 1/x dx par la méthode de Simpson, n = 2, et comparez avec la valeur exacte. Trouvez l’erreur absolue |E| = |S − I|.

f(x) = 1/x[a, b] = [1, 3]n = 2
|E| =
2.Méthodes numériquesDifficile
00,10,20,30,422,53ty(0, 2)

Résolvez y′ = t + y, y(0) = 2 avec la méthode d’Euler et le pas h = 0,1 jusqu’à t = 0,4. La solution exacte est y = −t − 1 + (y₀ + 1)eᵗ. Trouvez l’erreur globale |E| = |y(0,4) − y4|.

y′ = t + yy(0) = 2h = 0,1
|E| =
3.Suites et sériesMoyen
AΣ (−1)ᵏ/√kk = 1 … ∞BΣ k!/3ᵏk = 1 … ∞CΣ k/2ᵏk = 1 … ∞DΣ 1/(k² + 9)k = 1 … ∞

Exactement une des quatre séries diverge. Cliquez dessus.

A: Σ (−1)ᵏ/√kB: Σ k!/3ᵏC: Σ k/2ᵏD: Σ 1/(k² + 9)
  1. 1A: Σ (−1)ᵏ/√k
  2. 2B: Σ k!/3ᵏ
  3. 3C: Σ k/2ᵏ
  4. 4D: Σ 1/(k² + 9)
4.Suites et sériesDifficile

Reconnaissez la série et trouvez sa somme : S = Σk=0∞ (−1)ᵏ·0,82k+1/(2k + 1)!.

ak = (−1)ᵏ·0,82k+1/(2k + 1)!
S =
5.Matrices et déterminantsMoyen
A =30−211−55−30

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

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

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

A = [1 −1; −4 −2]
λ =
7.Équations différentiellesMoyen
tyy(0) = 2y(1) = ?

Résolvez y″ + 2y′ + y = 0 avec y(0) = 2 et y′(0) = 2. Trouvez y(1).

y″ + 2y′ + y = 0y(0) = 2y′(0) = 2
y(1) =
8.Équations différentiellesDifficile
t (min)m (kg)t = ?46 kg

Une cuve contient 1000 L d’eau dans laquelle 10 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 46 kg de sel ?

V = 1000 Lm0 = 10 kgc = 0,1 kg/Lr = 20 L/min
t = min

3Solutions

1.Méthodes numériques

Réponse: |E| = 0,0125

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.

Valeur exacte

I = 1,098612

Méthode de Simpson

S = (1/3)·(1 + 4·0,5 + 0,333333) = 1,111111

Erreur

|E| = |1,111111 − 1,098612| = 0,0125

Réponse

|E| = 0,0125

Erreur relative : 1,138 %.

2.Méthodes numériques

Réponse: |E| = 0,08317

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₊₁00222,210,12,22,32,4320,22,432,632,69330,32,6932,9932,9923

Pas d’Euler

y4 = 2,9923

Valeur exacte

y(0,4) = 3,075474

Erreur globale

|E| = |3,075474 − 2,9923| = 0,08317
00,10,20,30,422,53ty

Graphique

Réponse

|E| = 0,08317

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

3.Suites et séries

Réponse: B: Σ k!/3ᵏ

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/√k → Alternée, avec 1/√k décroissant vers 0 : converge (conditionnellement).
B: Σ k!/3ᵏ → Test du rapport : L = lim (k + 1)/3 = ∞, diverge.
C: Σ k/2ᵏ → Test du rapport : L = 1/2 < 1, converge.
D: Σ 1/(k² + 9) → Inférieur à 1/k², une série de Riemann convergente : converge par comparaison.

La réponse

B: Σ k!/3ᵏ

Réponse

B: Σ k!/3ᵏ
4.Suites et séries

Réponse: S = 0,7174

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.

Séries usuelles

Σ (−1)ᵏx2k+1/(2k + 1)! = sin x

Remplacer

x = 0,8
S = sin 0,8 = 0,7174

Réponse

S = 0,7174
5.Matrices et déterminants

Réponse: det A = −29

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 = −15, M₁₂ = 25, M₁₃ = −8

Développement par cofacteurs

det A = 3·(−15) − 0·25 + (−2)·(−8) = −29

Réponse

det A = −29
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 + (−6) = 0

Résoudre

λ = (−1 ± √(25))/2 → λ = −3, 2
λ = 2

Réponse

λ = 2
7.Équations différentielles

Réponse: y(1) = 2,207

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 + 1)² = 0 → r = −1

Constantes

A = y(0) = 2
y′(0) = B − 1A → B = 2 + 2 = 4

Évaluer

y(1) = (2 + 4·1)·e−1 = 2,207

Réponse

y(1) = 2,207
8.Équations différentielles

Réponse: t = 25,54 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) = 100 + (−90)·e−t/50

Résoudre pour t

e−t/50 = (100 − 46)/(100 − 10) = 0,6
t = 50·ln(1,667) = 25,54 min

Réponse

t = 25,54 min

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