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Primitives et méthode d'Euler

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  1. 1

    On considère f(x)=3x22xf(x) = 3x^{2} - 2x sur ℝ.
    Quel écart vertical sépare, en tout point, la courbe de la primitive passant par A(1;2)A(1 \,;\, 2) de la courbe de la primitive passant par B(2;0)B(2 \,;\, 0) ?

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    a) Les primitives de f sont F(x)=x3x2+kF(x) = x^{3} - x^{2} + k, k réel.
    b) F(1)=11+k=2F(1) = 1 - 1 + k = 2, donc k=2k = 2 : la primitive cherchée est x3x2+2x^{3} - x^{2} + 2.
    c) Pour la primitive passant par B : 84+k=08 - 4 + k = 0, donc k=4k = -4 : c'est x3x24x^{3} - x^{2} - 4.
    Les deux primitives diffèrent d'une constante : (x3x2+2)(x3x24)=6(x^{3} - x^{2} + 2) - (x^{3} - x^{2} - 4) = 6.
    Les deux courbes sont séparées, en tout point, d'un écart vertical de 6 unités : on passe de l'une à l'autre par une translation verticale.

  2. 2

    On considère f(t)=6t24cos(2t)f(t) = 6t^{2} - 4\cos(2t) sur ℝ.
    Calcule F(π4)F\left(\frac{\pi}{4}\right), où F est la primitive de f qui vaut 3 en 0, en donnant la valeur exacte puis la valeur arrondie au centième.

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    a) 6t22t36t^{2} \to 2t^{3} et 4cos(2t)42sin(2t)=2sin(2t)-4\cos(2t) \to -\frac{4}{2}\sin(2t) = -2\sin(2t).
    Les primitives sont 2t32sin(2t)+k2t^{3} - 2\sin(2t) + k, k réel.
    b) F(0)=00+k=3F(0) = 0 - 0 + k = 3, donc F(t)=2t32sin(2t)+3F(t) = 2t^{3} - 2\sin(2t) + 3.
    c) sin(π2)=1\sin\left(\frac{\pi}{2}\right) = 1 et (π4)3=π364\left(\frac{\pi}{4}\right)^{3} = \frac{\pi^{3}}{64}.
    F(π4)=2π3642+3=π332+1F\left(\frac{\pi}{4}\right) = \frac{2\pi^{3}}{64} - 2 + 3 = \frac{\pi^{3}}{32} + 1.
    F(π4)=π332+11,97F\left(\frac{\pi}{4}\right) = \frac{\pi^{3}}{32} + 1 \approx 1{,}97.

  3. 3

    On considère f(x)=(x1)(x+1)(x+2)f(x) = (x - 1)(x + 1)(x + 2) sur ℝ.
    Calcule F(2)F(2), où F est la primitive de f qui vaut 1 en 0.

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  4. 4

    Un objet est lâché sans vitesse initiale d'une hauteur de 45 m. Son accélération vaut a(t)=10a(t) = -10, en m/s², sa vitesse vérifie v(0)=0v(0) = 0 et son altitude, en mètres, vérifie z(0)=45z(0) = 45, pour t en secondes.
    À quel instant l'objet touche-t-il le sol, et quelle est alors sa vitesse ?

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  5. 5

    Une voiture roule à 20 m/s. À l'instant t=0t = 0, elle freine avec une accélération constante de 4-4 m/s², jusqu'à l'arrêt. On repère sa position x, en mètres, sur la route, avec x(0)=0x(0) = 0.
    Quelle distance la voiture parcourt-elle entre le début du freinage et l'arrêt ?

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  6. 6

    Un objet accroché à un ressort oscille avec la vitesse v(t)=0,8sin(4t)v(t) = -0{,}8\sin(4t), en m/s, et sa position vérifie x(0)=0,2x(0) = 0{,}2 m, pour t en secondes.
    Quelle est la position de l'objet à l'instant t=1t = 1 s, arrondie au millimètre ?

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  7. 7

    Un condensateur de capacité C=104C = 10^{-4} F, déchargé à l'instant t=0t = 0, est traversé par le courant i(t)=0,01sin(50t)i(t) = 0{,}01\sin(50t), en ampères, pour t en secondes. Sa charge q(t)q(t), en coulombs, est la primitive de i telle que q(0)=0q(0) = 0.
    Quelle est la valeur maximale de la tension u(t)=q(t)Cu(t) = \frac{q(t)}{C} aux bornes du condensateur ?

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  8. 8

    On considère le problème y(t)=2ty'(t) = 2t et y(0)=0y(0) = 0, dont on connaît la solution exacte.
    Quelle erreur commet-on sur y(1)y(1) avec la méthode d'Euler et un pas h=0,25h = 0{,}25 ?

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  9. 9

    On considère le problème y(t)=11+t2y'(t) = \frac{1}{1 + t^{2}} et y(0)=1y(0) = 1, approché par la méthode d'Euler avec un pas h=0,2h = 0{,}2.
    Donne la valeur approchée de y(0,6)y(0{,}6) obtenue par la méthode d'Euler avec le pas h=0,2h = 0{,}2, arrondie au millième.

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  10. 10

    On approche la solution du problème y(t)=1ty'(t) = \frac{1}{t}, y(1)=0y(1) = 0, avec le programme Python suivant :
    def euler(t, y, h, n):
    for k in range(n):
    y = y + h * (1 / t)
    t = t + h
    return y
    L'appel euler(1, 0, 0.1, 10) renvoie environ 0,7188, et la valeur exacte de y(2)y(2) est environ 0,6931.
    a) Quelle est la valeur de t à la fin de cet appel ?
    b) Calcule à la main les valeurs de y obtenues après un pas puis après deux pas, arrondies au millième.
    c) Quelle erreur la méthode d'Euler commet-elle sur y(2)y(2) avec un pas de 0,1 ? Donne-la arrondie au millième.

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