Calcul intégral 201-NYB • Complément québécois de Terminale et cégep à Montréal

Fiche de révision : l'intégration numérique

Cette fiche ne recopie pas les trois formules du chapitre : elles sont dans vos notes. Elle traite ce que le barème sanctionne, à savoir la borne d'erreur, les coefficients qui s'inversent et le nombre de sous-intervalles, trois endroits où une approximation par ailleurs correcte perd la moitié de ses points.

Elle s'adresse aux étudiants de cégep en Sciences de la nature à Montréal, et aux élèves de Terminale des lycées français qui suivent le complément québécois de mathématiques. La série d'exercices corrigés du même chapitre met ensuite chaque réflexe à l'épreuve.

Le fil du chapitre

Une méthode numérique ne donne pas un nombre, elle donne un nombre ET une BORNE D'ERREUR. Sans la borne, rien ne dit combien de décimales sont fiables, et la réponse ne vaut alors pas plus que le premier chiffre venu.

Ce chapitre fait partie de Calcul intégral, 201-NYB

Avant ce chapitre

Cette fiche suppose ces notions acquises. Si une méthode ci-dessous reste opaque, c'est presque toujours l'une d'elles qui manque, pas la fiche.

Remonter plus loin : la chaîne complète (9 chapitres) ↓

Le chemin de remédiation, du plus ancien au plus proche. Un élève qui reprend ce chapitre de zéro le reprend dans cet ordre.

  1. 1Les fonctions logarithmiquesSecondaire 5 SN5
  2. 2Les fonctions trigonométriquesSecondaire 5 SN5
  3. 3La dérivée et ses règlesCalcul différentiel (201-NYA)
  4. 4Les dérivées des fonctions transcendantesCalcul différentiel (201-NYA)
  5. 5Primitives et intégrale indéfinie
  6. 6La décomposition des fractions rationnelles
  7. 7Techniques d'intégration
  8. 8L'Hôpital et formes indéterminées
  9. 9Intégrale définie et impropre

L'essentiel

Les trois formules, avec le même pas

  • Pas : h=banh=\frac{b-a}{n}, où nn est le nombre de SOUS-INTERVALLES, pas le nombre de points.
  • POINT MILIEU : Mn=h[f(xˉ1)++f(xˉn)]M_{n}=h\left[f(\bar{x}_{1})+\cdots+f(\bar{x}_{n})\right], où xˉi\bar{x}_{i} est le milieu du ii-ième sous-intervalle.
  • TRAPÈZES : Tn=h2[f(x0)+2f(x1)++2f(xn1)+f(xn)]T_{n}=\frac{h}{2}\left[f(x_{0})+2f(x_{1})+\cdots+2f(x_{n-1})+f(x_{n})\right]. Coefficients 1,2,2,,2,11,2,2,\ldots,2,1.
  • SIMPSON : Sn=h3[f(x0)+4f(x1)+2f(x2)+4f(x3)++4f(xn1)+f(xn)]S_{n}=\frac{h}{3}\left[f(x_{0})+4f(x_{1})+2f(x_{2})+4f(x_{3})+\cdots+4f(x_{n-1})+f(x_{n})\right], avec nn PAIR.
  • Il y a toujours n+1n+1 points x0,,xnx_{0},\ldots,x_{n} pour nn sous-intervalles.
0.511.522.533.50.20.40.60.811.2trapezes
Quatre trapèzes sur [1,3]\left[1,3\right] : chaque toit est la CORDE de la courbe, et comme 1x\frac{1}{x} est convexe, tous les toits passent au-dessus, donc T4T_{4} surestime l'intégrale.

Les coefficients de Simpson commencent et finissent par 11, et alternent 4,2,4,2,,44,2,4,2,\ldots,4 entre les deux : le 44 est toujours sur les indices IMPAIRS.

Les bornes d'erreur, et où chercher le maximum

  • Trapèzes : ETK2(ba)312n2\left|E_{T}\right|\le\frac{K_{2}\left(b-a\right)^{3}}{12n^{2}}, où K2K_{2} majore f\left|f''\right| sur [a,b]\left[a,b\right].
  • Point milieu : EMK2(ba)324n2\left|E_{M}\right|\le\frac{K_{2}\left(b-a\right)^{3}}{24n^{2}}, soit deux fois mieux que les trapèzes.
  • Simpson : ESK4(ba)5180n4\left|E_{S}\right|\le\frac{K_{4}\left(b-a\right)^{5}}{180n^{4}}, où K4K_{4} majore f(4)\left|f^{(4)}\right|.
  • K2K_{2} et K4K_{4} se cherchent sur TOUT l'intervalle, en étudiant la monotonie de la dérivée concernée.
  • Doubler nn divise l'erreur des trapèzes par 44 et celle de Simpson par 1616.

La borne est une MAJORATION : l'erreur réelle est presque toujours bien plus petite, et cela ne prouve pas que la borne est fausse.

Le sens de l'erreur, donné par la concavité

  • ff CONVEXE, c'est-à-dire f>0f''>0 : les trapèzes SURESTIMENT, le point milieu SOUS-ESTIME.
  • ff CONCAVE, f<0f''<0 : les trapèzes sous-estiment, le point milieu surestime.
  • Les deux méthodes ENCADRENT donc l'intégrale, ce qui donne un contrôle gratuit.
  • Simpson est exacte sur tout polynôme de degré au plus TROIS, ce qui explique son ordre élevé.
0.511.522.533.5-0.4-0.20.20.40.60.811.2corde : trop hautrectangle milieu : trop bas
Sur la même tranche, la corde passe AU-DESSUS de la courbe convexe et le rectangle du milieu passe EN DESSOUS : les deux méthodes encadrent l'intégrale sans aucune formule d'erreur.

Les pièges qui coûtent des points

Les erreurs ci-dessous sont celles que je corrige le plus souvent en séance. Chacune coûte des points sur une copie, même quand le raisonnement est juste.

1. Rendre une approximation sans borne d'erreur

la moitié de la question

Ce qu'il ne faut pas écrire

« T4=1,1167T_{4}=1{,}1167. »

Ce qu'il faut écrire

« T4=1,1167T_{4}=1{,}1167, avec ET2(2)312(16)=0,0833\left|E_{T}\right|\le\frac{2(2)^{3}}{12(16)}=0{,}0833 : la valeur exacte est donc entre 1,0331{,}033 et 1,2001{,}200. »

Pourquoi : Une approximation sans encadrement ne dit rien : elle pourrait être fausse dès la première décimale. La borne est ce qui transforme un nombre en résultat, et le barème lui réserve toujours des points distincts du calcul.

2. Confondre le nombre de sous-intervalles et le nombre de points

toute la question, tous les points d'évaluation étant décalés

Ce qu'il ne faut pas écrire

« J'ai cinq points, donc n=5n=5 et h=315=0,4h=\frac{3-1}{5}=0{,}4. »

Ce qu'il faut écrire

« Cinq points font QUATRE sous-intervalles : n=4n=4 et h=314=0,5h=\frac{3-1}{4}=0{,}5. »

Pourquoi : Les points vont de x0x_{0} à xnx_{n}, donc il y en a n+1n+1. Le contrôle immédiat : le dernier point calculé doit tomber exactement sur bb. S'il tombe ailleurs, le pas est faux.

3. Utiliser Simpson avec un nombre impair de sous-intervalles

toute la question

Ce qu'il ne faut pas écrire

« n=5n=5, j'applique Simpson. »

Ce qu'il faut écrire

« Simpson exige nn PAIR : je prends n=6n=6. »

Pourquoi : La méthode remplace la courbe par une parabole sur CHAQUE PAIRE de sous-intervalles : il en faut donc un nombre pair pour que le découpage se referme. Avec nn impair, la dernière paire est incomplète et les coefficients ne bouclent pas sur un 11.

4. Inverser les coefficients de Simpson

toute la question

Ce qu'il ne faut pas écrire

h3[f(x0)+2f(x1)+4f(x2)+2f(x3)+f(x4)]\frac{h}{3}\left[f(x_{0})+2f(x_{1})+4f(x_{2})+2f(x_{3})+f(x_{4})\right]

Ce qu'il faut écrire

h3[f(x0)+4f(x1)+2f(x2)+4f(x3)+f(x4)]\frac{h}{3}\left[f(x_{0})+4f(x_{1})+2f(x_{2})+4f(x_{3})+f(x_{4})\right]

Pourquoi : Le 44 va sur les indices IMPAIRS, les milieux de chaque parabole. Le contrôle infaillible : la somme des coefficients doit valoir 3n3n, ici 1212; avec 1+4+2+4+1=121+4+2+4+1=12 ✓ et 1+2+4+2+1=101+2+4+2+1=10 ✗.

5. Chercher le maximum de la dérivée seconde au mauvais endroit

toute la borne, qui devient trente fois trop petite

Ce qu'il ne faut pas écrire

« f(x)=2x3f''(x)=\frac{2}{x^{3}}, je prends K2=f(3)=227K_{2}=f''(3)=\frac{2}{27}. »

Ce qu'il faut écrire

« f\left|f''\right| est DÉCROISSANTE sur [1,3]\left[1,3\right], son maximum est en x=1x=1 : K2=2K_{2}=2. »

Pourquoi : K2K_{2} majore f\left|f''\right| sur tout l'intervalle, donc c'est un MAXIMUM, pas une valeur au hasard. On étudie la monotonie de ff'' en une ligne, ou on compare ses valeurs aux deux bornes quand elle est monotone. Une borne sous-évaluée est pire qu'aucune borne : elle affirme une précision fausse.

6. Oublier le h2\frac{h}{2} ou le h3\frac{h}{3}

toute la question, la réponse étant quatre fois trop grande

Ce qu'il ne faut pas écrire

T4=1+2(0,667)+2(0,5)+2(0,4)+0,333=4,467T_{4}=1+2(0{,}667)+2(0{,}5)+2(0{,}4)+0{,}333=4{,}467

Ce qu'il faut écrire

T4=0,52×4,467=1,1167T_{4}=\frac{0{,}5}{2}\times 4{,}467=1{,}1167

Pourquoi : Le facteur devant les crochets porte toute la dimension : sans lui, on additionne des ordonnées, pas des aires. Le contrôle est immédiat : l'intégrale de 1x\frac{1}{x} sur [1,3]\left[1,3\right] est visiblement de l'ordre de 11, puisque la fonction y vaut entre 13\frac{1}{3} et 11 sur une largeur de 22.

7. Croire qu'une borne large signale une erreur

du temps perdu à refaire un calcul juste

Ce qu'il ne faut pas écrire

« La borne vaut 0,0830{,}083 mais l'erreur réelle est 0,0180{,}018 : ma borne est fausse. »

Ce qu'il faut écrire

« Une borne MAJORE l'erreur : 0,0180,0830{,}018\le 0{,}083 est exactement ce qu'on attend. »

Pourquoi : La borne suppose le pire cas, où f\left|f''\right| atteindrait son maximum partout. En pratique elle est généralement trois à cinq fois trop généreuse. Ce qui serait alarmant, c'est l'inverse : une erreur réelle SUPÉRIEURE à la borne annoncée.

8. Chercher nn sans résoudre l'inéquation

1 à 2 points, et une réponse invérifiable

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Pour une précision de 10410^{-4}, je prends n=100n=100 au hasard. »

Ce qu'il faut écrire

« Je résous 2(8)12n2104\frac{2(8)}{12n^{2}}\le 10^{-4}, soit n213333n^{2}\ge 13\,333, donc n116n\ge 116 : je prends n=116n=116. »

Pourquoi : La question « combien de sous-intervalles » attend une inéquation résolue, pas une estimation. On isole nn, on prend la racine, on ARRONDIT VERS LE HAUT, et pour Simpson on monte encore au premier entier pair.

Quelle méthode choisir

Quelle méthode, selon ce que l'énoncé demande

Les trois méthodes servent le même but avec des précisions différentes. L'énoncé impose presque toujours laquelle, mais il faut savoir pourquoi.

  • Si l'énoncé donne un tableau de valeurs aux extrémités des sous-intervalles TRAPÈZES ou SIMPSON, les seules à n'utiliser que ces points

    Exemple : des relevés de débit toutes les deux heures

  • Si l'énoncé donne les valeurs aux MILIEUX point MILIEU, deux fois plus précis que les trapèzes pour le même travail

    Exemple : des mesures prises au centre de chaque tranche

  • Si l'énoncé exige une précision élevée avec peu d'évaluations SIMPSON, dont l'erreur décroît en 1n4\frac{1}{n^{4}} au lieu de 1n2\frac{1}{n^{2}}

    Exemple : quatre décimales exactes avec n=8n=8

  • Si la primitive n'existe pas sous forme élémentaire n'importe laquelle des trois, mais avec sa borne d'erreur

    Exemple : 01ex2dx\int_{0}^{1}e^{-x^{2}}dx

  • Si l'intégrande est un polynôme de degré au plus trois SIMPSON est EXACTE : l'erreur est nulle, quel que soit nn

    Exemple : 02x3dx\int_{0}^{2}x^{3}dx donne exactement 44 dès n=2n=2

Le point milieu et les trapèzes encadrent l'intégrale quand la concavité est constante : calculer les deux donne un encadrement sans aucune borne théorique.

La rédaction attendue

Le correcteur coche des étapes. Les voici dans l'ordre, avec la phrase de conclusion qu'il attend mot pour mot.

Une approximation avec sa borne, rédigée pour le correcteur

Quand l'utiliser : Toute question d'intégration numérique, même quand la borne n'est pas explicitement demandée.

  1. 1 Calculer h=banh=\frac{b-a}{n} et LISTER les n+1n+1 points x0,,xnx_{0},\ldots,x_{n}.
  2. 2 Dresser un tableau des f(xi)f(x_{i}), avec assez de décimales pour la précision visée.
  3. 3 Appliquer la formule en écrivant les coefficients, puis multiplier par le facteur devant les crochets.
  4. 4 Calculer la dérivée nécessaire, étudier sa monotonie, et donner KK comme un MAXIMUM justifié.
  5. 5 Appliquer la formule de la borne et conclure par un ENCADREMENT.

Phrase de conclusion

T4=1,1167T_{4}=1{,}1167 avec ET0,0833\left|E_{T}\right|\le 0{,}0833, donc 13dxx\int_{1}^{3}\frac{dx}{x} est comprise entre 1,0331{,}033 et 1,2001{,}200.

Le piège : Donner KK sans justifier que c'est un maximum. La phrase « f=2x3\left|f''\right|=\frac{2}{x^{3}} est décroissante sur [1,3]\left[1,3\right], donc son maximum est f(1)=2f''(1)=2 » vaut à elle seule un point.

Barème : En général 1 point pour le pas et les points, 2 points pour l'approximation, 1 point pour KK justifié, 1 point pour la borne et l'encadrement.

Vérifier avant de rendre

Cinq minutes de vérification récupèrent plus de points qu'un exercice de plus commencé à la hâte.

L'exercice type décortiqué

Trapèzes et Simpson sur la même intégrale, avec les bornes

Approcher 13dxx\displaystyle\int_{1}^{3}\frac{dx}{x} avec n=4n=4, par les trapèzes puis par Simpson, et donner dans chaque cas une borne d'erreur.

0.511.522.533.50.20.40.60.811.2parabole de Simpson
La parabole qui passe par (1;1)(1\,;1), (2;0,5)(2\,;0{,}5) et (3;13)(3\,;\frac{1}{3}) épouse la courbe bien mieux que la corde : c'est cette substitution qui donne à Simpson son ordre quatre.

Étape 1

h=314=0,5h=\frac{3-1}{4}=0{,}5, et les CINQ points sont 11, 1,51{,}5, 22, 2,52{,}5, 33. Valeurs : 11, 0,66670{,}6667, 0,50{,}5, 0,40{,}4, 0,33330{,}3333.

Pourquoi

Cinq points pour quatre sous-intervalles, et le dernier tombe exactement sur 33 : les deux contrôles du pas sont faits avant tout calcul.

Étape 2

Trapèzes : T4=0,52[1+2(0,6667)+2(0,5)+2(0,4)+0,3333]=0,25×4,4667=1,1167T_{4}=\frac{0{,}5}{2}\left[1+2(0{,}6667)+2(0{,}5)+2(0{,}4)+0{,}3333\right]=0{,}25\times 4{,}4667=1{,}1167.

Pourquoi

Les coefficients 1,2,2,2,11,2,2,2,1 somment à 8=2n8=2n ✓, et le facteur h2\frac{h}{2} est appliqué à la fin. Les deux vérifications tiennent en cinq secondes.

Étape 3

Borne des trapèzes : f(x)=2x3f''(x)=\frac{2}{x^{3}}, décroissante sur [1,3]\left[1,3\right], donc K2=f(1)=2K_{2}=f''(1)=2. D'où ET2(31)312(4)2=16192=0,0833\left|E_{T}\right|\le\frac{2(3-1)^{3}}{12(4)^{2}}=\frac{16}{192}=0{,}0833.

Pourquoi

La monotonie de f\left|f''\right| est écrite explicitement : c'est elle qui justifie que 22 est bien un MAXIMUM, et c'est le point que la plupart des copies perdent.

Étape 4

Simpson : S4=0,53[1+4(0,6667)+2(0,5)+4(0,4)+0,3333]=0,16667×6,6=1,1000S_{4}=\frac{0{,}5}{3}\left[1+4(0{,}6667)+2(0{,}5)+4(0{,}4)+0{,}3333\right]=0{,}16667\times 6{,}6=1{,}1000.

Pourquoi

Coefficients 1,4,2,4,11,4,2,4,1, somme 12=3n12=3n ✓, avec les 44 sur les indices impairs. Le facteur est h3\frac{h}{3} et non h2\frac{h}{2} : les deux se confondent facilement.

Étape 5

Borne de Simpson : f(4)(x)=24x5f^{(4)}(x)=\frac{24}{x^{5}}, décroissante, donc K4=24K_{4}=24. D'où ES24(2)5180(4)4=76846080=0,0167\left|E_{S}\right|\le\frac{24(2)^{5}}{180(4)^{4}}=\frac{768}{46\,080}=0{,}0167.

Pourquoi

Même méthode, une dérivée plus haut. La borne de Simpson est cinq fois plus fine que celle des trapèzes pour le même nombre d'évaluations, ce qui est tout l'intérêt de la méthode.

Étape 6

Contrôle : la valeur exacte est ln3=1,0986\ln 3=1{,}0986. Erreur des trapèzes 0,01810,08330{,}0181\le 0{,}0833 ✓; erreur de Simpson 0,00140,01670{,}0014\le 0{,}0167 ✓. Simpson est treize fois plus précise.

Pourquoi

Les deux erreurs réelles sont bien inférieures à leurs bornes, comme attendu d'une majoration. Le rapport entre les deux confirme l'ordre supérieur de Simpson, ce qui est la conclusion que la question cherche.

Conclusion rédigée

T4=1,1167T_{4}=1{,}1167 à 0,08330{,}0833 près et S4=1,1000S_{4}=1{,}1000 à 0,01670{,}0167 près, alors que ln3=1,0986\ln 3=1{,}0986 : les deux encadrements contiennent la valeur exacte, et Simpson la serre bien plus étroitement.

L'erreur classique sur cet exercice : Prendre K2=f(3)=227K_{2}=f''(3)=\frac{2}{27} parce que c'est la dernière valeur calculée. La borne deviendrait 0,00310{,}0031, inférieure à l'erreur réelle de 0,01810{,}0181 : elle affirmerait une précision que le calcul n'a pas.

À savoir par cœur

  • h=banh=\frac{b-a}{n}, avec nn SOUS-INTERVALLES et n+1n+1 points.
  • Trapèzes : coefficients 1,2,,2,11,2,\ldots,2,1 et facteur h2\frac{h}{2}. Somme des coefficients 2n2n.
  • Simpson : coefficients 1,4,2,,4,11,4,2,\ldots,4,1 et facteur h3\frac{h}{3}, avec nn PAIR. Somme 3n3n.
  • ETK2(ba)312n2\left|E_{T}\right|\le\frac{K_{2}(b-a)^{3}}{12n^{2}}, EMK2(ba)324n2\left|E_{M}\right|\le\frac{K_{2}(b-a)^{3}}{24n^{2}}, ESK4(ba)5180n4\left|E_{S}\right|\le\frac{K_{4}(b-a)^{5}}{180n^{4}}.
  • KK est un MAXIMUM sur tout l'intervalle, justifié par la monotonie de la dérivée.
  • Convexe : trapèzes au-dessus, point milieu en dessous. Les deux encadrent.
  • Simpson est EXACTE sur tout polynôme de degré au plus trois.
  • Pour trouver nn : résoudre l'inéquation et ARRONDIR VERS LE HAUT.

Questions fréquentes

Pourquoi faut-il donner une borne d'erreur ?

Parce qu'une approximation sans borne ne dit pas combien de décimales sont fiables. La borne transforme un nombre en encadrement de la valeur exacte, ce qui est le seul résultat exploitable. Le barème lui réserve toujours des points distincts de ceux du calcul de l'approximation.

Pourquoi Simpson exige-t-elle un nombre pair de sous-intervalles ?

Parce que la méthode remplace la courbe par une parabole sur chaque paire de sous-intervalles consécutifs. Il en faut donc un nombre pair pour que le découpage se referme exactement. Avec un nombre impair, la dernière paire est incomplète et les coefficients ne bouclent pas.

Comment trouver la constante K dans la borne d'erreur ?

C'est un majorant de la valeur absolue de la dérivée concernée sur tout l'intervalle, donc son maximum. On étudie la monotonie de cette dérivée, souvent évidente, et on prend sa plus grande valeur. Choisir une valeur au hasard donne une borne fausse, parfois inférieure à l'erreur réelle.

Les trapèzes surestiment-ils toujours l'intégrale ?

Seulement quand la fonction est convexe, c'est-à-dire quand sa dérivée seconde est positive. Les cordes passent alors au-dessus de la courbe. Sur une fonction concave, c'est l'inverse, et le point milieu fait toujours l'erreur de sens opposé, ce qui donne un encadrement gratuit.

Combien de sous-intervalles pour une précision donnée ?

On écrit l'inéquation qui dit que la borne d'erreur est inférieure à la précision voulue, puis on isole le nombre de sous-intervalles. On arrondit toujours vers le haut, et pour Simpson on monte encore jusqu'au premier entier pair, puisque la méthode l'exige.

Passer à la pratique

Exercices corrigés : L'intégration numérique

Une méthode se prouve sur une copie, pas sur une fiche. La série du même chapitre reprend chacun de ces pièges dans un exercice, avec le corrigé rédigé étape par étape.

  • 15 exercices corrigés
  • 150 points
  • 225 minutes
Faire les exercices
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Voir aussi

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