Mathematiques - S2

Annee: 2020-2021 Semestre: 2 Type: Scientifique

PART A : PRESENTATION GENERALE

Contexte et objectifs

Le cours de mathematiques du semestre 2 constitue un approfondissement majeur des outils mathematiques pour l’ingenieur. Il prolonge les bases acquises au S1 (derivees, limites, nombres complexes) en introduisant des concepts avances indispensables pour l’analyse de systemes electroniques, le traitement du signal et la modelisation de phenomenes physiques en GEII.

Ce semestre couvre cinq grands domaines : les polynomes, les fractions rationnelles, le calcul integral, les equations differentielles du premier ordre et les equations differentielles du second ordre. Chacun de ces domaines trouve des applications directes dans les cours techniques du cursus.

Objectifs pedagogiques :

Organisation

Le cours est structure autour de cinq modules complementaires. Chaque module comprend des cours magistraux (CM) ou l’enseignant presente la theorie, des travaux diriges (TD) pour la mise en pratique, et des fascicules d’exercices corriges. Les evaluations comprennent des controles continus et un examen final de synthese.

Le volume horaire est reparti approximativement comme suit :

Prerequis


PART B : EXPERIENCE ET CONTEXTE

Environnement pedagogique

Le semestre 2 de mathematiques s’inscrit dans la continuite du S1 en consolidant les bases et en introduisant des outils plus avances necessaires pour les cours techniques. L’annee 2020-2021 a ete marquee par un enseignement partiellement a distance en raison du contexte sanitaire (COVID-19), ce qui a necessite une adaptation importante : cours en visioconference, exercices en ligne, et evaluations a distance.

Malgre ces contraintes, la qualite de l’enseignement a ete maintenue grace a des polycopies detailles, des seances de questions-reponses en ligne et des fascicules d’exercices complets avec corriges.

Ressources et supports

Liens avec d’autres cours

Difficultes et apprentissages

Le passage aux equations differentielles du second ordre a represente un saut de difficulte important. La distinction entre les trois regimes (aperiodique, critique, pseudo-periodique) et la determination des constantes d’integration a partir des conditions initiales necessitent une bonne maitrise de l’ensemble des outils precedents. Le contexte d’enseignement a distance a rendu l’apprentissage plus autonome et a developpe la capacite a chercher et comprendre par soi-meme.


PART C : ASPECTS TECHNIQUES

Module 1 : Polynomes

Definitions et proprietes fondamentales

Un polynome P(x) de degre n est une expression de la forme :

P(x) = a_n * x^n + a_(n-1) * x^(n-1) + … + a_1 * x + a_0

ou les a_i sont des coefficients reels (ou complexes) et a_n est non nul (coefficient dominant).

Operations sur les polynomes :

Exemple de division euclidienne : Diviser P(x) = 2x^3 + 3x^2 - x + 5 par D(x) = x - 1 :

Racines et factorisation

Theoreme fondamental de l’algebre : Tout polynome de degre n >= 1 a coefficients complexes possede exactement n racines dans C (comptees avec multiplicite).

Theoreme de factorisation : Si r_1, r_2, …, r_n sont les racines de P(x), alors : P(x) = a_n * (x - r_1)(x - r_2)…(x - r_n)

Propriete des racines complexes conjuguees : Si P(x) a des coefficients reels et si z = a + jb est une racine, alors son conjugue z* = a - jb est aussi une racine. Ces deux racines produisent un facteur quadratique irreductible : (x - z)(x - z*) = x^2 - 2ax + (a^2 + b^2)

Exemple : P(x) = x^3 - 6x^2 + 11x - 6

Applications en GEII

En electronique, les polynomes interviennent dans les fonctions de transfert. Une fonction de transfert H(s) est le rapport de deux polynomes en s :

H(s) = N(s) / D(s) = (b_m * s^m + … + b_0) / (a_n * s^n + … + a_0)

Les racines du numerateur N(s) sont les zeros de H(s) et les racines du denominateur D(s) sont les poles. La stabilite d’un systeme est determinee par la position des poles dans le plan complexe : un systeme est stable si et seulement si tous les poles ont une partie reelle strictement negative.

Exemple : Pour un filtre passe-bas du 2eme ordre avec H(s) = w0^2 / (s^2 + 2zw0s + w0^2), les poles sont : s = -zw0 +/- w0*sqrt(z^2 - 1) Si z > 0, les poles ont une partie reelle negative et le systeme est stable.

Module 2 : Fractions rationnelles

Decomposition en elements simples

Une fraction rationnelle F(x) = P(x)/Q(x) avec deg(P) < deg(Q) peut etre decomposee en somme d’elements simples.

Cas de poles simples reels : Si Q(x) = (x - a_1)(x - a_2)…(x - a_n) avec tous les a_i distincts, alors : F(x) = A_1/(x - a_1) + A_2/(x - a_2) + … + A_n/(x - a_n)

Pour trouver A_i, on multiplie par (x - a_i) et on evalue en x = a_i : A_i = [(x - a_i) * F(x)] evalue en x = a_i

Exemple : Decomposer F(x) = (3x + 1) / ((x - 1)(x + 2))

F(x) = A/(x - 1) + B/(x + 2)

Cas de poles multiples : Si Q(x) contient un facteur (x - a)^k, la decomposition contient : A_1/(x - a) + A_2/(x - a)^2 + … + A_k/(x - a)^k

Exemple : F(x) = (2x + 3) / (x - 1)^2 F(x) = A/(x - 1) + B/(x - 1)^2

Cas de poles complexes conjugues : Si Q(x) contient un facteur irreductible (x^2 + bx + c), la decomposition contient : (Ax + B) / (x^2 + bx + c)

Exemple : F(x) = 1 / (x(x^2 + 1)) F(x) = A/x + (Bx + C)/(x^2 + 1)

Applications aux transformees inverses de Laplace

La decomposition en elements simples est la methode principale pour calculer les transformees inverses de Laplace. On decompose F(s), puis on utilise les tables :

Module 3 : Calcul integral

Primitives et integrales definies

Definition : Une primitive de f(x) est une fonction F(x) telle que F’(x) = f(x). L’integrale definie est : integrale de a a b de f(x)dx = F(b) - F(a)

Primitives de reference :

Integration par parties

Formule : integrale de udv = uv - integrale de v*du

Le choix de u et dv est crucial. La regle mnemonique LIATE (Logarithme, Inverse trigonometrique, Algebrique, Trigonometrique, Exponentielle) aide a choisir u.

Exemple 1 : Calculer integrale de x * e^x dx

Exemple 2 : Calculer integrale de x^2 * cos(x) dx

Exemple 3 : Calculer integrale de ln(x) dx

Changement de variable

Principe : On pose x = g(t), alors dx = g’(t)dt et on transforme l’integrale.

Exemple : Calculer integrale de 1/sqrt(1 - x^2) dx

Exemple : Calculer integrale de 2x * e^(x^2) dx

Integration de fonctions rationnelles

Pour integrer P(x)/Q(x), on effectue d’abord la division euclidienne si deg(P) >= deg(Q), puis on decompose en elements simples :

Exemple : integrale de (3x + 1)/((x - 1)(x + 2)) dx

Exemple : integrale de 1/(x^2 + 1) dx = arctan(x) + C

Exemple : integrale de (2x + 3)/(x^2 + 4) dx

Applications en GEII

Calcul de la valeur moyenne d’un signal : V_moy = (1/T) * integrale de 0 a T de v(t) dt

Calcul de la valeur efficace (RMS) : V_eff = sqrt((1/T) * integrale de 0 a T de v(t)^2 dt)

Exemple : Pour un signal sinusoidal v(t) = V_max * sin(wt) :

Calcul d’energie : W = integrale de 0 a T de p(t) dt = integrale de 0 a T de v(t) * i(t) dt

Module 4 : Equations differentielles du 1er ordre

Forme generale et methodes de resolution

Forme generale lineaire : y’ + a(x) * y = b(x)

Equation homogene associee : y’ + a(x) * y = 0

Cas a coefficients constants : y’ + a*y = b(x)

Methode de variation de la constante :

  1. Resoudre l’equation homogene : y_h = C * e^(-ax)
  2. Poser y_p = C(x) * e^(-ax)
  3. Substituer dans l’equation complete pour trouver C(x)
  4. Solution generale : y = y_h + y_p

Exemple detaille : Resoudre y’ + 2y = 6

  1. Equation homogene : y’ + 2y = 0 –> y_h = C * e^(-2x)
  2. Solution particuliere : on cherche y_p constante (car second membre constant)
    • y_p’ + 2y_p = 6 –> 0 + 2y_p = 6 –> y_p = 3
  3. Solution generale : y(x) = C * e^(-2x) + 3
  4. Avec condition initiale y(0) = 0 : 0 = C + 3 –> C = -3
  5. Solution : y(x) = 3(1 - e^(-2x))

Exemple avec second membre exponentiel : Resoudre y’ + 3y = e^(-x)

  1. Solution homogene : y_h = C * e^(-3x)
  2. Solution particuliere : on essaie y_p = A * e^(-x)
    • y_p’ = -A * e^(-x)
    • -A * e^(-x) + 3A * e^(-x) = e^(-x) –> 2A = 1 –> A = 1/2
  3. Solution generale : y(x) = C * e^(-3x) + (1/2) * e^(-x)

Application aux circuits RC et RL

Circuit RC en charge : La tension aux bornes du condensateur u_c(t) verifie : RC * u_c’ + u_c = E (avec E la tension d’alimentation)

C’est une EDO du 1er ordre avec tau = RC.

Circuit RL : Le courant i(t) dans une bobine verifie : L * i’ + R * i = E

Avec tau = L/R :

Decharge d’un condensateur (circuit RC sans source) : RC * u_c’ + u_c = 0

Module 5 : Equations differentielles du 2eme ordre

Forme generale et equation caracteristique

Forme generale normalisee : y’’ + 2zw0y’ + w0^2y = f(t)

ou z (zeta) est le coefficient d’amortissement et w0 est la pulsation propre non amortie.

Equation caracteristique : r^2 + 2zw0*r + w0^2 = 0

Le discriminant est : Delta = 4w0^2(z^2 - 1)

Les trois regimes

Regime aperiodique (z > 1) : Delta > 0, deux racines reelles negatives distinctes

Regime critique (z = 1) : Delta = 0, racine double r = -w0

Regime pseudo-periodique (0 < z < 1) : Delta < 0, racines complexes conjuguees

Exemple detaille : Resoudre y’’ + 4y’ + 3y = 6

  1. Equation caracteristique : r^2 + 4r + 3 = 0
    • Delta = 16 - 12 = 4 > 0
    • r_1 = (-4 + 2)/2 = -1, r_2 = (-4 - 2)/2 = -3
  2. Solution homogene : y_h(t) = Ae^(-t) + Be^(-3t)
  3. Solution particuliere (second membre constant) : y_p = 6/3 = 2
  4. Solution generale : y(t) = Ae^(-t) + Be^(-3t) + 2
  5. Conditions initiales y(0) = 0, y’(0) = 0 :
    • A + B + 2 = 0
    • -A - 3B = 0 –> A = -3B
    • -3B + B + 2 = 0 –> B = 1, A = -3
  6. Solution : y(t) = -3*e^(-t) + e^(-3t) + 2

Exemple en regime pseudo-periodique : Resoudre y’’ + 2y’ + 5y = 10

  1. Equation caracteristique : r^2 + 2r + 5 = 0
    • Delta = 4 - 20 = -16 < 0
    • r = (-2 +/- j4)/2 = -1 +/- j2
  2. z*w0 = 1, w0^2 = 5 –> w0 = sqrt(5), z = 1/sqrt(5) = 0.447
  3. w_p = 2 (pseudo-pulsation)
  4. Solution homogene : y_h(t) = e^(-t) * [Acos(2t) + Bsin(2t)]
  5. Solution particuliere : y_p = 10/5 = 2
  6. Solution generale : y(t) = e^(-t) * [Acos(2t) + Bsin(2t)] + 2
  7. Conditions initiales y(0) = 0, y’(0) = 0 :
    • A + 2 = 0 –> A = -2
    • -A + 2B = 0 –> B = A/2 = -1
  8. Solution : y(t) = 2 - e^(-t) * [2*cos(2t) + sin(2t)]

Application aux circuits RLC

Circuit RLC serie : La tension aux bornes du condensateur u_c(t) verifie : LC * u_c’’ + RC * u_c’ + u_c = E

En forme normalisee : u_c’’ + (R/L)u_c’ + (1/LC)u_c = E/LC

On identifie :

Comportement selon z :

Exemple numerique : Circuit RLC avec R = 100 ohms, L = 10 mH, C = 1 uF

Travaux diriges et exercices

Exercices sur les polynomes et fractions rationnelles :

Exercices sur le calcul integral :

Exercices sur les EDO :

Annales et preparation aux examens :


PART D : ANALYSE ET REFLEXION

Competences acquises

Auto-evaluation

Les mathematiques du S2 ont constitue un approfondissement majeur et un pilier pour toute la suite du cursus GEII. Les equations differentielles du second ordre, en particulier, sont omniprésentes : tout circuit RLC, tout systeme mecanique masse-ressort-amortisseur, tout filtre du second ordre est decrit par une telle equation.

La comprehension intuitive des trois regimes (aperiodique, critique, pseudo-periodique) et de leur signification physique est l’un des acquis les plus importants. Le lien entre le coefficient d’amortissement z et le comportement du systeme est une notion qui revient dans presque tous les cours techniques.

Le calcul integral, bien que plus classique, s’est revele indispensable pour le calcul de valeurs efficaces en energie (signaux triphases, redresses) et pour les coefficients de Fourier en Outils Logiciels.

Le contexte d’enseignement a distance a renforce l’autonomie et la capacite a apprendre par soi-meme, competences precieuses pour la suite des etudes.

Connexions interdisciplinaires

Progression et perspectives

Ces outils mathematiques ne sont pas une fin en soi mais un langage commun qui permet de decrire, analyser et concevoir des systemes electroniques. Leur maitrise conditionne la reussite dans les modules techniques des semestres suivants et, au-dela, dans la vie professionnelle d’ingenieur.


Documents de Cours

Cours Polynomes

Support de cours sur les polynomes : definitions, operations, racines, factorisation et theoreme fondamental de l'algebre. Ce document couvre egalement la division euclidienne et les applications aux fonctions de transfert.

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Exercices Polynomes

Fascicule d'exercices sur les polynomes : factorisation, recherche de racines, division euclidienne et applications.

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Cours Fractions Rationnelles

Support de cours sur les fractions rationnelles : decomposition en elements simples, poles simples et multiples, poles complexes conjugues. Methodes de calcul et applications aux transformees inverses.

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Cours Calcul Integral

Support de cours sur le calcul integral : primitives, techniques d'integration (par parties, changement de variable, fonctions rationnelles) et applications au calcul de valeurs moyennes et efficaces.

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Exercices Calcul Integral

Fascicule d'exercices sur le calcul integral : calculs de primitives par differentes methodes, integrales definies et applications.

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Correction Exercices Calcul Integral

Corriges detailles des exercices de calcul integral : methodes de resolution pas a pas et verification des resultats.

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Cours Equations Differentielles du 1er Ordre

Support de cours sur les equations differentielles du premier ordre : forme generale, solution homogene, methode de variation de la constante, constante de temps et applications aux circuits RC et RL.

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Cours Equations Differentielles d'Ordre 2

Support de cours sur les equations differentielles du second ordre : equation caracteristique, les trois regimes (aperiodique, critique, pseudo-periodique), solutions avec second membre et applications aux circuits RLC.

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Exercices EDO du 1er Ordre

Fascicule d'exercices sur les equations differentielles du premier ordre : resolution, conditions initiales et applications aux circuits du premier ordre.

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Exercices EDO du 2nd Ordre

Fascicule d'exercices sur les equations differentielles du second ordre : determination du regime, resolution complete avec conditions initiales et applications aux circuits RLC.

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Annale Mathematiques GEII 2018-2019

Sujet d'examen de l'annee 2018-2019 couvrant l'ensemble du programme : polynomes, integrales, equations differentielles. Utile pour la preparation aux examens.

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