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
xy012

Approchez ∫02 eˣ dx par la méthode des trapèzes, n = 2, et comparez avec la valeur exacte. Trouvez l’erreur absolue |E| = |T − I|.

f(x) = eˣ[a, b] = [0, 2]n = 2
|E| =
2.Méthodes numériquesDifficile
00,050,10,50,510,520,53ty(0, 0,5)

Faites un pas de la méthode de Runge–Kutta classique (RK4) avec h = 0,1 pour y′ = t² + y², y(0) = 0,5. Trouvez y₁ ≈ y(0,1).

y′ = t² + y²y(0) = 0,5h = 0,1
y1 =
3.Suites et sériesMoyen
AΣ k³/3ᵏk = 1 … ∞BΣ (1 + 1/k)ᵏk = 1 … ∞CΣ (1/3)ᵏk = 1 … ∞DΣ 3/k⁴k = 1 … ∞

Exactement une des quatre séries diverge. Cliquez dessus.

A: Σ k³/3ᵏB: Σ (1 + 1/k)ᵏC: Σ (1/3)ᵏD: Σ 3/k⁴
  1. 1A: Σ k³/3ᵏ
  2. 2B: Σ (1 + 1/k)ᵏ
  3. 3C: Σ (1/3)ᵏ
  4. 4D: Σ 3/k⁴
4.Suites et sériesDifficile
xyfP₂2

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

f(x) = cos(0,5x)n = 2x = 2
P₂(2) =
5.Matrices et déterminantsMoyen
A =−4−35−54350−5

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

A = [−4 −3 5; −5 4 3; 5 0 −5]
det A =
6.Matrices et déterminantsDifficile
A =−4−26−4b =−95

Résous le système −4x − 2y = −9 et 6x − 4y = 5. Trouve x.

−4x − 2y = −96x − 4y = 5
x =
7.Équations différentiellesMoyen
t (min)T (°C)20Ta​21 °C23 °C

Une canette de soda à 4 °C est sortie du réfrigérateur dans une pièce à 25 °C. Au bout de 20 min, sa température est de 21 °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 23 °C ?

T0 = 4 °CTa = 25 °CT(20) = 21 °CT = 23 °C
t = min
8.Équations différentiellesDifficile
tyK = 10ymax​ = ?

Un système obéit à y″ + y′ + 25,25y = 252,5 pour t ≥ 0, à partir du repos : y(0) = 0, y′(0) = 0. Trouvez la valeur de pic ymax de sa réponse indicielle.

y″ + y′ + 25,25y = 252,5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =

3Solutions

1.Méthodes numériques

Réponse: |E| = 0,5238

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 = 6,389056

Méthode des trapèzes

T = (1/2)·(1 + 2·2,718282 + 7,389056) = 6,91281

Erreur

|E| = |6,91281 − 6,389056| = 0,5238

Réponse

|E| = 0,5238

Erreur relative : 8,198 %.

2.Méthodes numériques

Réponse: y1 = 0,5267

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.

Quatre pentes

k₁ = f(0, 0,5) = 0,25
k₂ = f(0,05, 0,5125) = 0,265156
k₃ = f(0,05, 0,513258) = 0,265934
k₄ = f(0,1, 0,526593) = 0,287301

Combiner

y₁ = 0,5 + (0,1/6)(0,25 + 2·0,265156 + 2·0,265934 + 0,287301) = 0,5267

Réponse

y1 = 0,5267
3.Suites et séries

Réponse: B: Σ (1 + 1/k)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 k³/3ᵏ → Test du rapport : L = 1/3 < 1, converge.
B: Σ (1 + 1/k)ᵏ → Les termes tendent vers e, pas vers 0 : diverge d’après le test du terme général.
C: Σ (1/3)ᵏ → Géométrique de raison r = 1/3, |r| < 1 : converge.
D: Σ 3/k⁴ → Série de Riemann avec p = 4 > 1 : converge.

La réponse

B: Σ (1 + 1/k)ᵏ

Réponse

B: Σ (1 + 1/k)ᵏ
4.Suites et séries

Réponse: P₂(2) = 0,5

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 − 0,125x²

Remplacer

P₂(2) = 1 − 0,5 = 0,5

Réponse

P₂(2) = 0,5

La valeur exacte est f(2) = 0,540302 ; l’erreur 0,0403023 diminue quand on prend plus de termes ou un point plus proche de 0.

5.Matrices et déterminants

Réponse: det A = 10

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 = −20, M₁₂ = 10, M₁₃ = −20

Développement par cofacteurs

det A = (−4)·(−20) − (−3)·10 + 5·(−20) = 10

Réponse

det A = 10
6.Matrices et déterminants

Réponse: x = 1,643

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 = (−4)·(−4) − (−2)·6 = 28

Remplacer la colonne de x

det Aₓ = (−9)·(−4) − (−2)·5 = 46
x = 46/28 = 1,643

Réponse

x = 1,643
y = 1,214
7.Équations différentielles

Réponse: t = 28,36 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(-21/-4)/20 = 0,08291 min⁻¹

Temps pour atteindre la valeur visée

t = ln(-21/(−2))/0,08291 = 28,36 min

Réponse

t = 28,36 min
8.Équations différentielles

Réponse: ymax = 17,3

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 = −0,5 ± 5j

Constantes à partir des valeurs initiales

y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −0,5A + 5B = 0 → B = −1

Pic

t = π/5 = 0,6283
ymax = 10·(1 + e−0,5·π/5) = 17,3

Réponse

ymax = 17,3

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