Mathématiques 1re Spécialité

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Méthode d'Euler

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Énoncé
On veut résoudre l'équation (\mathrm{E}) : f^{\prime}(x)=1-(f(x))^{2}f est une fonction définie et dérivable sur [0\:; 1] telle que f(0)=0. On admet que la solution cherchée est unique. On ne connaît pas l'expression de f mais on peut construire sa courbe représentative. Pour cela, on va construire une approximation de la courbe de f par des segments de droites obtenus grâce aux tangentes à la courbe de f. On choisit un pas h > 0 et on construit une suite de points \mathrm{P}_{n}\left(x_{n}\: ; y_{n}\right) approchant les points \mathbf{M}_{n} d'abscisse x_n de C_f .
Soit h > 0. On pose x_{0}=0 et pour tout n \in \mathbb{N}, x_{n+1}=x_{n}+h et y_{n}=f\left(x_{n}\right).
Questions préliminaires :
1. Déterminer y_0.


2. Exprimer x_1 en fonction de h puis x_2 en fonction de h .


3. Justifier que f\left(x_{n+1}\right)-f\left(x_{n}\right) est proche de h f^{\prime}\left(x_{n}\right) lorsque h est proche de 0.


4. Même si cela reste une approximation, on écrira f\left(x_{n+1}\right)=f\left(x_{n}\right)+h f^{\prime}\left(x_{n}\right).
Démontrer alors que y_{1}=h et y_{2}=-h^{3}+2 h.
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Objectif
Résoudre une équation dont l'inconnue est une fonction en utilisant une des deux méthodes.
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Méthode 1
Python

On veut écrire un programme sous Python qui, pour une valeur de h saisie par l'utilisateur, calcule les coordonnées \left(x_{n}\:; y_{n}\right) des points \text{P}_{n} .

1. Déterminer la valeur de h pour obtenir 21 points répartis équitablement dans l'intervalle [0\:; 2].


2. Écrire une fonction \bf{approx} d'arguments y_n et h qui retourne la valeur approchée de l'ordonnée du point \text{P}_{n+1}.

3. Écrire une fonction \bf{Euler} d'arguments x_0 , y_0, nb_etapes et h qui retourne les abscisses x_i et les ordonnées y_i des points cherchés.


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Méthode 2
Tableur

À l'aide d'une feuille de calcul, on construit un tableau donnant les valeurs de x_n et y_nn est un entier naturel de 0 à 10. On entre la valeur 0 dans les cellules B2 et C2 et la valeur de h dans lacellule D2. On choisit h = 0{,}1.
1. Quelle formule doit-on entrer en B3 et en C3 pour les recopier vers le bas ?


2. Représenter la suite de points \text{P}_{n}.
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Pour aller plus loin

Dans le film Les figures de l'ombre se déroulant dans les années 1960, le personnage principal Katherine Johnson, mathématicienne pour la NASA, utilise la méthode d'Euler pour calculer la trajectoire d'une capsule spatiale qui doit revenir sur Terre.

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