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Calculateur de la méthode d'Euler

Saisissez dy/dx = f(x, y), un point initial et une valeur finale, et obtenez la solution approchée par la méthode d'Euler, la méthode d'Euler améliorée (Heun) ou le Runge–Kutta d'ordre 4 : le tableau complet des pas avec chaque pente, l'erreur par rapport à la solution exacte (ou à une référence précise), ce qui se passe lorsque le pas est divisé par deux, et un graphique du champ de pentes avec la solution tracée par-dessus. Gratuit, sans inscription.

Utilisez x pour la variable indépendante et y pour l'inconnue, avec + − * / ^ et des parenthèses : x + y, x*y, y*(1 − y), sin(x) − y. Fonctions : sin, cos, tan, exp, ln, sqrt et d'autres.

Si vous connaissez la solution exacte, saisissez-la en x pour voir l'erreur réelle ; sinon, une référence RK4 très précise est utilisée.

Résultats

3,1874849

Approximation de y(1)

3,4365637

y(1) exacte

-0,249

Erreur

0,1

Taille de pas h

10

Pas n

La méthode

yₙ₊₁ = yₙ + h·f(xₙ, yₙ) : on suit la pente au début de chaque pas. L'erreur globale est proportionnelle à h.

Tableau des pas

nxₙyₙk1y(xₙ) exacteErreur
001110
10,11,11,21,1103418-0,0103
20,21,221,421,2428055-0,0228
30,31,3621,6621,3997176-0,0377
40,41,52821,92821,5836494-0,0554
50,51,721022,221021,7974425-0,0764
60,61,9431222,5431222,0442376-0,101
70,72,19743422,89743422,3275054-0,13
80,82,48717763,28717762,6510819-0,164
90,92,81589543,71589543,0192062-0,203
1013,18748493,4365637-0,249

Les trois méthodes avec le même pas

Méthodey à la finErreur
Méthode d'Euler3,1874849-0,249
Euler amélioré (Heun)3,4281617-0,0084
Runge–Kutta 43,4365595-0,00000417

Division du pas par deux (Méthode d'Euler)

nhy à la finErreur
100,13,1874849-0,249
200,053,3065954-0,13
400,0253,3701277-0,0664
800,01253,4029699-0,0336

Pour la méthode d'Euler, l'erreur est à peu près divisée par deux lorsque h l'est ; pour Heun, elle tombe au quart ; pour RK4, au seizième.

Graphique

  • Solution exacte
  • Méthode d'Euler
Champ de pentes de dy/dx = f(x, y) avec la solution Méthode d'Euler de x = 0 à x = 100,20,40,60,81123xy

Comment utiliser le calculateur de la méthode d'Euler

  1. 1. Saisissez l'équation. Écrivez le membre de droite de dy/dx = f(x, y) avec x et y : x + y, y*(1 - y), sin(x) - y.
  2. 2. Donnez la condition initiale et la fin. Saisissez x₀, y₀ = y(x₀) et la valeur de x jusqu'à laquelle résoudre. La fin peut se trouver à gauche de x₀.
  3. 3. Choisissez le pas. Saisissez une taille de pas h, ou passez à un nombre de pas n. Si h ne divise pas exactement l'intervalle, le calculateur l'ajuste et vous le signale.
  4. 4. Choisissez une méthode et lisez le tableau. Chaque ligne donne xₙ, yₙ et les pentes utilisées. Si vous connaissez la solution exacte, saisissez-la pour voir l'erreur réelle.

Les trois méthodes

MéthodePasErreur globale
Euleryₙ₊₁ = yₙ + h·f(xₙ, yₙ)proportionnelle à h
Euler amélioré (Heun)yₙ₊₁ = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂), avec k₁ = f(xₙ, yₙ) et k₂ = f(xₙ + h, yₙ + h·k₁)proportionnelle à h²
Runge–Kutta 4yₙ₊₁ = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)proportionnelle à h⁴

La méthode d'Euler suit la tangente au début de chaque pas. La méthode de Heun fait la moyenne entre la pente au début et la pente à la fin prédite, ce qui explique qu'on l'appelle aussi règle du trapèze explicite. Le Runge–Kutta d'ordre 4 évalue la pente quatre fois par pas et pondère ces valeurs par 1, 2, 2, 1. Ce sont les méthodes exposées par Burden et Faires dans Numerical Analysis, chapitre 5.

Exemple détaillé : y′ = x + y, y(0) = 1

La solution exacte est y = 2eˣ − x − 1, donc y(1) = 2e − 2 ≈ 3,4365637. Avec la méthode d'Euler et h = 0,1, les premiers pas sont :

nxₙyₙpente f(xₙ, yₙ)y(xₙ) exacte
00111
10,11,11,21,1103418
20,21,221,421,2428055
30,31,3621,6621,3997176

Par exemple, y₁ = 1 + 0,1 × (0 + 1) = 1,1 et y₂ = 1,1 + 0,1 × (0,1 + 1,1) = 1,22. Après dix pas, la méthode d'Euler atteint y(1) ≈ 3,1874849, soit une erreur de −0,2491 : elle sous-estime, car la solution vraie est convexe et les tangentes restent en dessous de la courbe.

Nombre de pas n (h)Erreur d'Euler en x = 1Erreur de HeunErreur de RK4
10 (0,1)−0,2491−0,0084−0,0000042
20 (0,05)−0,1300−0,0022−0,00000027
40 (0,025)−0,0664−0,00056−0,000000017
80 (0,0125)−0,0336−0,00014−0,0000000011

Chaque division de h par deux réduit l'erreur d'Euler environ de moitié, celle de Heun au quart et celle de RK4 au seizième, comme le prévoit l'ordre de chaque méthode. Pour égaler l'erreur de RK4 avec n = 10, la méthode d'Euler demanderait plusieurs centaines de milliers de pas.

Lire le champ de pentes et l'erreur

Les petits segments du graphique indiquent la pente f(x, y) en un quadrillage de points : la solution vraie est une courbe tangente à ces segments partout. La solution numérique est tracée sous forme de ligne brisée par-dessus ; si vous fournissez la solution exacte, elle est tracée en pointillés à côté. Sans solution exacte, la colonne d'erreur compare à une valeur de référence obtenue par RK4 avec au moins 2 000 pas, bien plus précise que toute méthode proposée ici. Certaines équations explosent en temps fini, comme y′ = y² avec y(0) = 1 : le tableau s'arrête là où les valeurs deviennent infinies, en x = 1.

Questions fréquentes

Comment fonctionne la méthode d'Euler ?
Elle construit la solution pas à pas. À partir du point (xₙ, yₙ), elle calcule la pente f(xₙ, yₙ) donnée par l'équation différentielle, puis avance le long de cette tangente sur une distance horizontale h, ce qui donne yₙ₊₁ = yₙ + h·f(xₙ, yₙ). Chaque nouveau point sert de point de départ au pas suivant.
Quelle est la précision de la méthode d'Euler ?
Son erreur locale par pas est proportionnelle à h², mais les erreurs s'accumulent sur environ 1/h pas, donc l'erreur globale est proportionnelle à h. Diviser le pas par deux divise l'erreur par deux. C'est une bonne méthode pour apprendre et une mauvaise méthode pour la précision.
Qu'est-ce que la méthode d'Euler améliorée ?
La méthode d'Euler améliorée, ou méthode de Heun, effectue d'abord un pas d'Euler pour prédire la fin de l'intervalle, puis fait la moyenne entre la pente à cet endroit et la pente au début. Cette correction du second ordre rend l'erreur globale proportionnelle à h² au lieu de h, au prix de deux évaluations de la pente par pas.
Comment choisir la taille du pas ?
Utilisez le tableau de division par deux : réduisez h jusqu'à ce que la réponse ne change plus dans les chiffres qui vous intéressent. La méthode d'Euler exige un petit h, mais RK4 atteint la même précision avec un pas beaucoup plus grand. Les équations raides (dont certaines composantes décroissent très vite) peuvent imposer un petit h avec l'une ou l'autre de ces méthodes.
Peut-on résoudre des équations du second ordre ou des systèmes ?
Non. L'outil résout une seule équation du premier ordre dy/dx = f(x, y). Une équation du second ordre peut être réécrite comme un système du premier ordre, mais cet outil ne gère pas les systèmes.
Pourquoi la solution s'arrête-t-elle en cours de route ?
Les valeurs sont devenues infinies, ce qui se produit lorsque la solution vraie explose en temps fini ou lorsque le pas est trop grand pour une équation instable. Le tableau s'arrête à la dernière ligne finie, et le message indique la valeur de x proche de laquelle cela s'est produit.

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