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L’essentiel de Outils mathématiques en PASS

Les points essentiels de chaque cours, tirés du texte du cours, sur une seule page. Un point te bloque ? Le titre ouvre le cours complet, ses schémas et ses exercices corrigés.

8 cours80 points clés

22-01 · partie 1Unités, proportions et calcul algébrique

  • Une grandeur est le produit d’une valeur numérique par une unité ; changer d’unité change la valeur numérique, pas la grandeur.
  • Additionner deux grandeurs de dimensions différentes n’a pas de sens physique ; Q=V/t et C=m/V, donc C×Q a la dimension d’une masse par temps.
  • Milli signifie 10⁻³, micro 10⁻⁶, nano 10⁻⁹ ; une conversion de surface ou de volume élève le facteur à la puissance correspondante.
  • Pour multiplier des puissances de même base, on additionne les exposants ; pour les diviser, on les soustrait ; ces règles ne s’appliquent pas à une somme.
  • L’argument d’une exponentielle ou d’un logarithme doit être sans dimension ; dans exp(-kt), k a donc l’unité inverse de celle du temps.
  • Une fraction a/b exige b non nul ; on peut simplifier un facteur commun, mais pas un terme au milieu d’une somme.
  • Si y = kx, le rapport y/x reste constant ; si y = k/x, le produit xy reste constant ; une droite hors origine n’est pas une proportionnalité directe.
  • Une hausse de 15 % multiplie par 1,15 ; une baisse de 15 % multiplie par 0,85 ; deux variations successives se composent par multiplication.
  • Pour deux solutions du même soluté, c_f = (c1V1 + c2V2)/(V1 + V2) si les volumes s’additionnent, et c_f est entre c1 et c2 sans réaction ni perte.
  • Une concentration de 4 g/L correspond à 4 mg/mL, mais 4 mmol/L ne correspond pas à 4 mg/mL sans masse molaire.

22-01 · partie 2Logarithmes, exponentielles et échelles

  • Passer de 20 % à 30 % correspond à une hausse de 10 points de pourcentage; la hausse relative vaut (30-20)/20 = 50 %.
  • Une hausse de 20 % suivie d'une baisse de 20 % ne ramène pas à la valeur initiale : en partant de 100, on obtient 120 puis 96.
  • Le logarithme décimal log10(x) est l'exposant auquel il faut élever 10 pour obtenir x; le logarithme népérien ln(x) utilise la base e; ils sont définis sur les réels strictement positifs.
  • La relation de changement de base est log10(x) = ln(x)/ln(10).
  • Les règles fondamentales sont ln(ab)=ln(a)+ln(b), ln(a/b)=ln(a)-ln(b), et ln(a^r)=r ln(a) lorsque les expressions sont définies; en revanche, ln(a+b) n'est généralement pas ln(a)+ln(b).
  • Sur une échelle logarithmique, des écarts égaux correspondent à des rapports égaux; les valeurs 1, 10 et 100 y sont régulièrement espacées, pas les différences absolues.
  • Le pH est défini à partir de l'activité des ions hydrogène; pH ≈ -log10([H+]/1 mol·L⁻¹); une augmentation d'une unité divise l'activité par dix.
  • Pour C(t)=C0 exp(-kt), chercher C/C0=r donne ln(r)=-kt, donc t=-ln(r)/k; pour r=1/2, t1/2=ln(2)/k; la demi-vie est constante si k l'est et si le modèle d'ordre un convient.
  • Éliminer 90 % signifie qu'il reste 10 %; mettre r=0,90 calculerait le temps de seulement 10 % de disparition; écrire restant ou éliminé évite cette inversion.
  • Un tracé log10(C/C0) a une pente -k/ln 10, un tracé ln(C/C0) a -k; lire une pente décimale comme népérienne produit une erreur d'un facteur ln 10.

22-01 · partie 3Approximations et propagation des incertitudes

  • Pour une petite variation Δx autour de x, f(x+Δx) ≈ f(x)+f'(x)Δx, approximation linéaire valable si courbure et amplitude le permettent.
  • Autour de zéro, exp(x) ≈ 1+x et ln(1+x) ≈ x pour |x| petit.
  • Si y=ax avec a exact, l'incertitude absolue sur y vaut |a| fois celle sur x dans un modèle simple.
  • Pour y=ax^n avec a exact, l'incertitude relative est approximativement |n| fois u(x)/|x|.
  • Pour y=ab, les incertitudes types indépendantes donnent une somme quadratique des contributions, pas une somme arithmétique.
  • Pour une différence D=X−Y, Var(D)=Var(X)+Var(Y)−2Cov(X,Y); une covariance positive peut réduire l'incertitude de la différence.
  • Il ne faut pas mélanger incertitude-type, intervalle de confiance et amplitude minimale-maximale, ni appeler automatiquement 95 % une plage ±u ou ±2u.
  • Calculer la différence de deux nombres presque égaux peut amplifier leurs erreurs relatives; les chiffres de garde doivent être conservés jusqu'au résultat final.
  • Une erreur relative est mal adaptée quand la valeur de référence est proche de zéro; une petite erreur absolue peut produire un énorme pourcentage.
  • Une propagation linéaire peut échouer près d'un extremum ou pour de fortes incertitudes, car la dérivée peut être nulle sans annuler l'incertitude.

22-01 · partie 4Systèmes linéaires et calcul numérique

  • Un système linéaire de deux équations s’écrit ax + by = e et cx + dy = f; les coefficients décrivent les contributions de deux inconnues à deux contraintes.
  • Le déterminant Δ = ad − bc indique si les deux contraintes sont indépendantes; s’il est non nul, une solution unique existe; s’il est nul, pas de solution ou infinité.
  • Les formules explicites sont x = (ed − bf)/Δ et y = (af − ec)/Δ quand Δ est non nul.
  • Si deux contraintes sont presque proportionnelles, leur intersection peut changer beaucoup sous de petites perturbations; le système est alors mal conditionné.
  • Si f est continue sur [a ; b] et change de signe, au moins une racine existe; la dichotomie divise la largeur par deux à chaque étape.
  • Après n divisions, la largeur vaut (b − a)/2^n; le milieu a une erreur d’encadrement au plus égale à la moitié de cette largeur.
  • La méthode de Newton utilise x_suivant = x − f(x)/f′(x); elle peut diverger si la dérivée est nulle ou très petite, ou si le point de départ est mal choisi.
  • Un petit résidu ne signifie pas toujours une petite erreur sur x si la fonction est très plate; il faut distinguer critère d’arrêt algorithmique et précision scientifique des données.
  • L’interpolation affine entre deux points donne y = y1 + (y2 − y1)(x − x1)/(x2 − x1); en dehors de l’intervalle, c’est une extrapolation, souvent plus fragile.
  • Le résidu est la différence entre le membre gauche calculé et le membre droit; le conditionnement appartient au problème, la stabilité à l’algorithme.

22-02 · partie 1Fonctions, dérivées et optimisation

  • Une fonction associe à une entrée une sortie selon une règle; son domaine précise les entrées admises, par exemple zéro exclu pour 1/x et x>0 pour ln(x).
  • La dérivée décrit un taux de variation local; si x dépend du temps, dx/dt est la vitesse et d²x/dt² l’accélération, avec unités m, m/s puis m/s².
  • Les dérivées usuelles sont (x^n)'=n xn-1, (exp x)'=exp x, (ln x)'=1/x pour x>0, (sin x)'=cos x et (cos x)'=-sin x pour un angle en radians.
  • La dérivée de uv vaut u'v+uv'; celle de u/v vaut (u'v-uv')/v² si v non nul; celle de f(g(x)) vaut f'(g(x))g'(x).
  • Un point intérieur où une fonction dérivable a un extremum vérifie f'=0, mais la réciproque est fausse: f(x)=x³ a une dérivée nulle en zéro sans extremum.
  • Pour une fonction continue sur un intervalle fermé, les candidats aux extrema sont les points intérieurs où f' s’annule ou n’existe pas, et les bornes.
  • Un optimum mathématique peut être hors du domaine physiquement admissible; le domaine peut donc placer l’optimum sur une borne.
  • Le rapport xf'(x)/f(x), lorsque défini, mesure la variation relative de la sortie pour une petite variation relative de x; pour f(x)=ax^n, il vaut n.
  • La tangente au point x0 s’écrit f(x0)+f'(x0)(x−x0); une pente nulle signifie une tangente horizontale, pas forcément un extremum.
  • Pour C(t)=10 exp(-0,2t), avec C en mg/L et t en heures, C'(t)=-2 exp(-0,2t) mg·L⁻¹·h⁻¹; à t=0 la pente vaut -2 mg·L⁻¹·h⁻¹.

22-02 · partie 2Intégrales, aires et quantités cumulées

  • Une primitive F de f vérifie F'=f ; deux primitives diffèrent d’une constante sur un intervalle.
  • L’intégrale de f entre a et b vaut F(b)-F(a) lorsque les conditions du théorème fondamental sont réunies.
  • L’intégrale représente une accumulation algébrique : une fonction négative contribue négativement, donc toute intégrale n’est pas une aire positive.
  • L’intégrale multiplie l’unité de l’ordonnée par celle de l’abscisse : débit par temps donne volume, concentration par temps donne AUC.
  • Pour C(t)=C0 exp(-kt), k>0, l’intégrale de zéro à l’infini vaut C0/k ; si C0=10 mg/L et k=0,2 h⁻¹, AUC=50 mg·h/L.
  • Méthode des trapèzes : entre deux temps, aire ≈ (C1+C2)/2 × (t2-t1), avec interpolation linéaire locale.
  • L’aire jusqu’au dernier prélèvement est observée ; la partie après nécessite un modèle, par exemple C_dernier/k_terminal en phase terminale exponentielle.
  • La moyenne temporelle d’une fonction sur [a ; b] est son intégrale divisée par b − a.
  • Une intégrale calculée avec t en heures puis en minutes représente la même grandeur si fonction et différentiel sont transformés ensemble ; oublier le facteur 60 multiplie l’aire par soixante.
  • Pour une courbe convexe, les cordes sont au-dessus de la courbe et les trapèzes peuvent surestimer l’aire ; une exponentielle décroissante est convexe.

22-02 · partie 3Équations différentielles et bilans

  • Pour un compartiment, la variation de quantité vaut entrées moins sorties, en tenant compte des transformations éventuelles.
  • Une élimination proportionnelle à la quantité donne dQ/dt=-kQ, de solution Q(t)=Q0 exp(-kt).
  • Une élimination à débit constant donne dQ/dt=-a et Q(t)=Q0-at, sans prolonger vers des quantités négatives.
  • Avec entrée constante R et élimination kQ, dQ/dt=R-kQ, équilibre Qeq=R/k, solution Q(t)=Qeq+(Q0-Qeq)exp(-kt).
  • Après une demi-vie, on a parcouru la moitié de l’écart initial à l’équilibre ; après deux, les trois quarts ; après quatre, 93,75 %.
  • Si aucune création, destruction ni sortie globale n’existe, la somme des quantités de deux compartiments se conserve.
  • Un coefficient de transfert proportionnel à Q possède l’unité inverse du temps, chaque terme du bilan ayant l’unité quantité par temps.
  • Si C=Q/V et V varie, dQ/dt = V dC/dt + C dV/dt ; oublier le second terme confond dilution et disparition de substance.
  • Pour dQ/dt=R-kQ, poser Z=Q-Qeq donne dZ/dt=-kZ, donc l’écart à l’équilibre décroît exponentiellement.
  • Si une entrée s’arrête à t1, Q(t1) devient la condition initiale de la décroissance suivante, sans repartir de zéro.

22-02 · partie 4Vecteurs, projections et trigonométrie

  • Un vecteur en deux dimensions a des composantes (u_x ; u_y) dans un repère orthonormé, et sa norme vaut racine(u_x² + u_y²), positive ou nulle, avec l’unité des composantes.
  • Additionner deux vecteurs revient à additionner leurs composantes correspondantes ; additionner seulement leurs normes n’est correct que pour même direction et même sens.
  • Pour une force F faisant un angle θ avec l’axe x positif, F_x = F cos θ et F_y = F sin θ, et ces composantes peuvent être négatives.
  • Un tour complet vaut 360° ou 2π radians ; un angle en radians est le rapport d’une longueur d’arc au rayon, donc sans dimension.
  • L’identité sin² θ + cos² θ = 1 assure que les composantes reconstruites ont la norme annoncée ; le signe de sin et cos dépend du quadrant.
  • Le produit scalaire u·v vaut u_x v_x + u_y v_y, ou norme(u) norme(v) cos θ ; nul si perpendiculaires non nuls, positif si angle aigu, négatif si angle obtus.
  • Le travail d’une force constante sur un déplacement est F·d ; une composante perpendiculaire ne contribue pas à ce travail.
  • La projection de u sur un axe unitaire e vaut u·e ; une mesure Doppler renseigne sur une projection de vitesse, avec un facteur cos θ.
  • Le moment signé autour de l’origine s’écrit M_z = xF_y − yF_x, de norme rF sin θ et bras r sin θ ; à l’équilibre, forces et moments doivent être vérifiés.
  • Pour v_projection = v cos θ, la correction v = v_projection/cos θ devient très sensible quand θ approche 90° ; une arctangente simple peut perdre le quadrant.

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