Zéros des fonctions. 1. La dichotomie. Exo7. 1.1. Principe de la dichotomie



Documents pareils
Chapitre 2 Le problème de l unicité des solutions

Correction de l épreuve CCP 2001 PSI Maths 2 PREMIÈRE PARTIE ) (

Université Paris-Dauphine DUMI2E. UFR Mathématiques de la décision. Notes de cours. Analyse 2. Filippo SANTAMBROGIO

Tout ce qu il faut savoir en math

ANALYSE NUMERIQUE NON-LINEAIRE

Synthèse de cours (Terminale S) Calcul intégral

Chapitre 11 : L inductance

LICENCE DE MATHÉMATIQUES DEUXIÈME ANNÉE. Unité d enseignement LCMA 4U11 ANALYSE 3. Françoise GEANDIER

semestre 3 des Licences MISM annnée universitaire

Théorème de Poincaré - Formule de Green-Riemann

COURS D ANALYSE. Licence d Informatique, première. Laurent Michel

Module 2 : Déterminant d une matrice

ANALYSE : FONCTIONS D UNE VARIABLE RÉELLE

Cours d Analyse IV Suites et Séries de fonctions

Chapitre VI Contraintes holonomiques

Séquence 8. Probabilité : lois à densité. Sommaire

Chapitre 1 : Fonctions analytiques - introduction

STI2D Logique binaire SIN. L' Algèbre de BOOLE

Baccalauréat S Asie 19 juin 2014 Corrigé

Partie 4 : La monnaie et l'inflation

Notes de révision : Automates et langages

Licence M.A.S.S. Cours d Analyse S4

Algorithmes sur les mots (séquences)

3- Les taux d'intérêt

LANGAGES - GRAMMAIRES - AUTOMATES

/HVV\VWqPHVFRPELQDWRLUHV

Toyota Assurances Toujours la meilleure solution

Influence du milieu d étude sur l activité (suite) Inhibition et activation

Turbine hydraulique Girard simplifiée pour faibles et très faibles puissances

Image d un intervalle par une fonction continue

* très facile ** facile *** difficulté moyenne **** difficile ***** très difficile I : Incontournable T : pour travailler et mémoriser le cours

Résolution d équations non linéaires

Équations non linéaires

Optimisation non linéaire Irène Charon, Olivier Hudry École nationale supérieure des télécommunications

Intégrale et primitives

Conseils et astuces pour les structures de base de la Ligne D30

Chp. 4. Minimisation d une fonction d une variable

Introduction à la modélisation et à la vérication p. 1/8

Guide d'utilisation Easy Interactive Tools Ver. 2

Fonctions de deux variables. Mai 2011

Techniques d analyse de circuits

Limites finies en un point

Continuité en un point

Suites numériques 4. 1 Autres recettes pour calculer les limites

TOUT CE QU IL FAUT SAVOIR POUR LE BREVET

Licence Sciences et Technologies Examen janvier 2010

Sommaire. 6. Tableau récapitulatif Sophos NAC intégré Vs. NAC Advanced - 17 Février

Exercices - Polynômes : corrigé. Opérations sur les polynômes

La mesure de Lebesgue sur la droite réelle

I - PUISSANCE D UN POINT PAR RAPPORT A UN CERCLE CERCLES ORTHOGONAUX POLES ET POLAIRES

Continuité et dérivabilité d une fonction

1/24. I passer d un problème exprimé en français à la réalisation d un. I expressions arithmétiques. I structures de contrôle (tests, boucles)

Suites numériques 3. 1 Convergence et limite d une suite

Exercice 1 Trouver l équation du plan tangent pour chaque surface ci-dessous, au point (x 0,y 0,z 0 ) donné :

Université Paris-Dauphine DUMI2E 1ère année, Applications

CCP PSI Mathématiques 1 : un corrigé

Intégration et probabilités TD1 Espaces mesurés Corrigé

IV- Equations, inéquations dans R, Systèmes d équations

Avant d utiliser l appareil, lisez ce Guide de référence rapide pour connaître la procédure de configuration et d installation.


Thèse Présentée Pour obtenir le diplôme de doctorat en sciences En génie civil Option : structure

AUTOUR D UN MÉMOIRE INÉDIT : LA CONTRIBUTION D HERMITE AU DÉVELOPPEMENT DE LA THÉORIE DES FONCTIONS ELLIPTIQUES. Bruno BELHOSTE (*)

Exercices - Fonctions de plusieurs variables : corrigé. Pour commencer

LITE-FLOOR. Dalles de sol et marches d escalier. Information technique

Sciences Industrielles Précision des systèmes asservis Papanicola Robert Lycée Jacques Amyot

L'algèbre de BOOLE ou algèbre logique est l'algèbre définie pour des variables ne pouvant prendre que deux états.

16.1 Convergence simple et convergence uniforme. une suite de fonctions de I dans R ou C.

Exo7. Limites de fonctions. 1 Théorie. 2 Calculs

Capes Première épreuve

Le canal étroit du crédit : une analyse critique des fondements théoriques

Optimisation des fonctions de plusieurs variables

Leçon 01 Exercices d'entraînement

ManSafe. pour les Utilitiés. La Protection antichute pour les Industries de l'energie. Français. TowerLatch LadderLatch

Pour développer votre entreprise. Compta LES LOGICIELS EN LIGNE, VOUS ALLEZ DIRE OUI!

Correction de l examen de la première session

Exercices types Algorithmique et simulation numérique Oral Mathématiques et algorithmique Banque PT

3 Approximation de solutions d équations

Chapitre 3. Mesures stationnaires. et théorèmes de convergence

STAGE IREM 0- Premiers pas en Python

1 Recherche en table par balayage

EXERCICE 4 (7 points ) (Commun à tous les candidats)

La fonction exponentielle

Moments des variables aléatoires réelles

Baccalauréat S Antilles-Guyane 11 septembre 2014 Corrigé

Calcul Formel et Numérique, Partie I

Planche n o 22. Fonctions de plusieurs variables. Corrigé

Chapitre 7 : Intégration sur un intervalle quelconque

Chapitre 2 Le problème de l unicité des solutions

Cours d Analyse. Fonctions de plusieurs variables

Guide des bonnes pratiques

Fonctions de plusieurs variables, intégrales multiples, et intégrales dépendant d un paramètre

Fonctions de plusieurs variables

Corrigé des TD 1 à 5

Magister en : Génie Mécanique

I. Polynômes de Tchebychev

L ALGORITHMIQUE. Algorithme

Cours3. Applications continues et homéomorphismes. 1 Rappel sur les images réciproques

La pratique institutionnelle «à plusieurs»

Exercices Corrigés Premières notions sur les espaces vectoriels

Transcription:

Exo7 Zéros des fonctions Vidéo prtie 1. L dichotomie Vidéo prtie. L méthode de l sécnte Vidéo prtie 3. L méthode de Newton Dns ce chpitre nous llons ppliquer toutes les notions précédentes sur les suites et les fonctions, à l recherche des zéros des fonctions. Plus précisément, nous llons voir trois méthodes fin de trouver des pproximtions des solutions d une éqution du type (f (x) = 0). 1. L dichotomie 1.1. Principe de l dichotomie Le principe de dichotomie repose sur l version suivnte du théorème des vleurs intermédiires : Théorème 1 Soit f : [, b] R une fonction continue sur un segment. Si f () f (b) 0, lors il existe l [, b] tel que f (l) = 0. L condition f () f (b) 0 signifie que f () et f (b) sont de signes opposés (ou que l un des deux est nul). L hypothèse de continuité est essentielle! y y f (b) > 0 f () > 0 l b x l b x f () < 0 f (b) < 0 Ce théorème ffirme qu il existe u moins une solution de l éqution (f (x) = 0) dns l intervlle [, b]. Pour le rendre effectif, et trouver une solution (pprochée) de l éqution (f (x) = 0), il s git mintennt de l ppliquer sur un intervlle suffismment petit. On v voir que cel permet d obtenir un l solution de l éqution (f (x) = 0) comme l limite d une suite. Voici comment construire une suite d intervlles emboîtés, dont l longueur tend vers 0, et contennt chcun une solution de l éqution (f (x) = 0). On prt d une fonction f : [, b] R continue, vec < b, et f () f (b) 0. 1

Voici l première étpe de l construction : on regrde le signe de l vleur de l fonction f ppliquée u point milieu +b Si f () f ( +b Si f () f ( +b f (c) = 0.. ) 0, lors il existe c [, +b ) > 0, cel implique que f ( +b ] tel que f (c) = 0. +b ) f (b) 0, et lors il existe c [, b] tel que y y + b f ( +b ) > 0 b x f ( +b + b b x Nous vons obtenu un intervlle de longueur moitié dns lequel l éqution (f (x) = 0) dmet une solution. On itère lors le procédé pour diviser de nouveu l intervlle en deux. Voici le processus complet : Au rng 0 : On pose 0 =, b 0 = b. Il existe une solution x 0 de l éqution (f (x) = 0) dns l intervlle [ 0, b 0 ]. Au rng 1 : Si f ( 0 ) f ( 0+b 0 ) 0, lors on pose 1 = 0 et b 1 = 0+b 0, sinon on pose 1 = 0+b 0 et b 1 = b. Dns les deux cs, il existe une solution x 1 de l éqution (f (x) = 0) dns l intervlle [ 1, b 1 ].... Au rng n : supposons construit un intervlle [ n, b n ], de longueur b n, et contennt une solution x n de l éqution (f (x) = 0). Alors : Si f ( n ) f ( n+b n ) 0, lors on pose n+1 = n et b n+1 = n+b n, sinon on pose n+1 = n+b n et b n+1 = b n. Dns les deux cs, il existe une solution x n+1 de l éqution (f (x) = 0) dns l intervlle [ n+1, b n+1 ]. À chque étpe on n x n b n. On rrête le processus dès que b n n = b n est inférieur à l précision souhitée. Comme ( n ) est pr construction une suite croissnte, (b n ) une suite décroissnte, et (b n n ) 0 lorsque n +, les suites ( n ) et (b n ) sont djcentes et donc elles dmettent une même limite. D près le théorème des gendrmes, c est ussi l limite disons l de l suite (x n ). L continuité de f montre que f (l) = lim n + f (x n ) = lim n + 0 = 0. Donc les suites ( n ) et (b n ) tendent toutes les deux vers l, qui est une solution de l éqution (f (x) = 0). 1.. Résultts numériques pour 10 Nous llons clculer une pproximtion de 10. Soit l fonction f définie pr f (x) = x 10, c est une fonction continue sur R qui s nnule en ± 10. De plus 10 est l unique solution positive de l éqution (f (x) = 0). Nous pouvons restreindre l fonction f à l intervlle [3,4] : en effet 3 = 9 10 donc 3 10 et 4 = 16 10 donc 4 10. En d utre termes f (3) 0 et f (4) 0, donc l éqution

3 (f (x) = 0) dmet une solution dns l intervlle [3,4] d près le théorème des vleurs intermédiires, et pr unicité c est 10, donc 10 [3,4]. Notez que l on ne choisit ps pour f l fonction x x 10 cr on ne connît ps l vleur de 10. C est ce que l on cherche à clculer! y 3 4 3.5 3.5 3.15 x Voici les toutes premières étpes : 1. On pose 0 = 3 et b 0 = 4, on bien f ( 0 ) 0 et f (b 0 ) 0. On clcule 0+b 0 = 3,5 puis f ( 0+b 0 ) : f (3,5) = 3,5 10 =,5 0. Donc 10 est dns l intervlle [3;3,5] et on pose 1 = 0 = 3 et b 1 = 0+b 0 = 3,5.. On sit donc que f ( 1 ) 0 et f (b 1 ) 0. On clcule f ( 1+b 1 ) = f (3,5) = 0,565 0, on pose = 3 et b = 3,5. 3. On clcule f ( +b ) = f (3,15) = 0,3... 0. Comme f (b ) 0 lors cette fois f s nnule sur le second intervlle [ +b, b ] et on pose 3 = +b = 3,15 et b 3 = b = 3,5. À ce stde, on prouvé : 3,15 10 3,5. Voici l suite des étpes : 0 = 3 b 0 = 4 Donc en 8 étpes on obtient l encdrement : 1 = 3 b 1 = 3,5 = 3 b = 3,5 3 = 3,15 b 3 = 3,5 4 = 3,15 b 4 = 3,1875 5 = 3,1565 b 5 = 3,1875 6 = 3,1565 b 6 = 3,171875 7 = 3,1565 b 7 = 3,16406... 8 = 3,16015... b 8 = 3,16406... 3,160 10 3,165 En prticulier, on vient d obtenir les deux premières décimles : 10 = 3,16... 1.3. Résultts numériques pour (1,10) 1/1 Nous cherchons mintennt une pproximtion de (1,10) 1/1. Soit f (x) = x 1 1,10. On pose 0 = 1 et b 0 = 1,1. Alors f ( 0 ) = 0,10 0 et f (b 0 ) =,038... 0.

4 0 = 1 b 0 = 1,10 1 = 1 b 1 = 1,05 = 1 b = 1,05 3 = 1 b 3 = 1,015 4 = 1,0065 b 4 = 1,015 5 = 1,0065 b 5 = 1,00937... 6 = 1,00781... b 6 = 1,00937... 7 = 1,00781... b 7 = 1,00859... 8 = 1,00781... b 8 = 1,0080... Donc en 8 étpes on obtient l encdrement : 1,00781 (1,10) 1/1 1,0081 1.4. Clcul de l erreur L méthode de dichotomie l énorme vntge de fournir un encdrement d une solution l de l éqution (f (x) = 0). Il est donc fcile d voir une mjortion de l erreur. En effet, à chque étpe, l tille l intervlle contennt l est divisée pr. Au déprt, on sit que l [, b] (de longueur b ) ; puis l [ 1, b 1 ] (de longueur b ) ; puis l [, b ] (de longueur b 4 ) ;... ; [ n, b n ] étnt de longueur b. n Si, pr exemple, on souhite obtenir une pproximtion de l à 10 N près, comme on sit que n l b n, on obtient l n b n n = b. Donc pour voir l n n 10 N, il suffit de choisir n tel que b 10 N. n Nous llons utiliser le logrithme déciml : b n 10 N (b )10 N n log(b ) + log(10 N ) log( n ) log(b ) + N nlog N + log(b ) n log Schnt log = 0, 301..., si pr exemple b 1, voici le nombre d itértions suffisntes pour voir une précision de 10 N (ce qui correspond, à peu près, à N chiffres excts près l virgule). 10 10 ( 10 décimles) 34 itértions 10 100 ( 100 décimles) 333 itértions 10 1000 ( 1000 décimles) 33 itértions Il fut entre 3 et 4 itértions supplémentires pour obtenir une nouvelle décimle. Remrque En toute rigueur il ne fut ps confondre précision et nombre de décimles exctes, pr exemple 0,999 est une pproximtion de 1,000 à 10 3 près, mis ucune décimle près l virgule n est excte. En prtique, c est l précision qui est l plus importnte, mis il est plus frppnt de prler du nombre de décimles exctes.

5 1.5. Algorithmes Voici comment implémenter l dichotomie dns le lngge Python. Tout d bord on définit une fonction f (ici pr exemple f (x) = x 10) : Algorithme. dichotomie.py (1) def f(x): return x*x - 10 Puis l dichotomie proprement dite : en entrée de l fonction, on pour vribles, b et n le nombre d étpes voulues. Algorithme. dichotomie.py () def dicho(,b,n): for i in rnge(n): c = (+b)/ if f()*f(c) <= 0: b = c else: = c return,b Même lgorithme, mis vec cette fois en entrée l précision souhitée : Algorithme. dichotomie.py (3) def dichobis(,b,prec): while b->prec: c = (+b)/ if f()*f(c) <= 0: b = c else: = c return,b Enfin, voici l version récursive de l lgorithme de dichotomie. Algorithme. dichotomie.py (4) def dichotomie(,b,prec): if b-<=prec: return,b else: c = (+b)/ if f()*f(c) <= 0: return dichotomie(,c,prec) else:

6 return dichotomie(c,b,prec) Mini-exercices 1. À l min, clculer un encdrement à 0,1 près de 3. Idem vec 3.. Clculer une pproximtion des solutions de l éqution x 3 + 1 = 3x. 3. Est-il plus efficce de diviser l intervlle en 4 u lieu d en? (À chque itértion, l dichotomie clssique nécessite l évlution de f en une nouvelle vleur +b pour une précision méliorée d un fcteur.) 4. Écrire un lgorithme pour clculer plusieurs solutions de ( f (x) = 0). 5. On se donne un tbleu trié de tille N, rempli de nombres pprtennt à {1,..., n}. Écrire un lgorithme qui teste si une vleur k pprît dns le tbleu et en quelle position.. L méthode de l sécnte.1. Principe de l sécnte L idée de l méthode de l sécnte est très simple : pour une fonction f continue sur un intervlle [, b], et vérifint f () 0, f (b) > 0, on trce le segment [AB] où A = (, f ()) et B = (b, f (b)). Si le segment reste u-dessus du grphe de f lors l fonction s nnule sur l intervlle [, b] où (,0) est le point d intersection de l droite (AB) vec l xe des bscisses. L droite (AB) s ppelle l sécnte. On recommence en prtnt mintennt de l intervlle [, b] pour obtenir une vleur. y B A A A b x

7 Proposition 1 Soit f : [, b] R une fonction continue, strictement croissnte et convexe telle que f () 0, f (b) > 0. Alors l suite définie pr 0 = et n+1 = n est croissnte et converge vers l solution l de (f (x) = 0). b n f (b) f ( n ) f ( n) L hypothèse f convexe signifie exctement que pour tout x, x dns [, b] l sécnte (ou corde) entre (x, f (x)) et (x, f (x )) est u-dessus du grphe de f. y x x (x, f (x )) x (x, f (x)) Démonstrtion 1. Justifions d bord l construction de l suite récurrente. L éqution de l droite pssnt pr les deux points (, f ()) et (b, f (b)) est f (b) f () y = (x ) + f () b Cette droite intersecte l xe des bscisses en (,0) qui vérifie donc 0 = ( f (b) f () ) b + f (), donc = b f (b) f () f ().. Croissnce de ( n ). Montrons pr récurrence que f ( n ) 0. C est vri u rng 0 cr f ( 0 ) = f () 0 pr hypothèse. Supposons vrie l hypothèse u rng n. Si n+1 < n (un cs qui s vérer posteriori jmis rélisé), lors comme f est strictement croissnte, on f ( n+1 ) < f ( n ), et en prticulier f ( n+1 ) 0. Sinon n+1 n. Comme f est convexe : l sécnte entre ( n, f ( n )) et (b, f (b)) est u-dessus du grphe de f. En prticulier le point ( n+1,0) (qui est sur cette sécnte pr définition n+1 ) est u-dessus du point ( n+1, f ( n+1 )), et donc f ( n+1 ) 0 ussi dns ce cs, ce qui conclut l récurrence. Comme f ( n ) 0 et f est croissnte, lors pr l formule n+1 = n b n f (b) f ( n ) f ( n), on obtient que n+1 n. 3. Convergence de ( n ). L suite ( n ) est croissnte et mjorée pr b, donc elle converge. Notons l s limite. Pr continuité f ( n ) f (l). Comme pour tout n, f ( n ) 0, on en déduit que f (l) 0. En prticulier, comme on suppose f (b) > 0, on l < b. Comme n l, n+1 l, f ( n ) f (l), l églité n+1 = n b n f (b) f ( n ) f ( n) devient à l limite (lorsque n + ) : l = l b l f (b) f (l) f (l), ce qui implique f (l) = 0. Conclusion : ( n ) converge vers l solution de (f (x) = 0).

8.. Résultts numériques pour 10 Pour = 3, b = 4, f (x) = x 10 voici les résultts numériques, est ussi indiquée une mjortion de l erreur ε n = 10 n (voir ci-près). 0 = 3 ε 0 0,1666... 1 = 3,148571485... ε 1 0,0040... = 3,16000000000... ε 0,0039... 3 = 3,1601117318... ε 3 0,0008... 4 = 3,164648985... ε 4 3,8... 10 5 5 = 3,167401437... ε 5 3,84... 10 6 6 = 3,16773374... ε 6 4,49... 10 7 7 = 3,16776109... ε 7 5,5... 10 8 8 = 3,167765433... ε 8 6,14... 10 9.3. Résultts numériques pour (1,10) 1/1 Voici les résultts numériques vec une mjortion de l erreur ε n = (1,10) 1/1 n, vec f (x) = x 1 1,10, = 1 et b = 1,1 0 = 1 ε 0 0,0083... 1 = 1,00467633... ε 1 0,0035... = 1,00661950... ε 0,0014... 3 = 1,0074197... ε 3 0,00060... 4 = 1,0077471... ε 4 0,0004... 5 = 1,00788130... ε 5 0,00010... 6 = 1,00793618... ε 6 4,14... 10 5 7 = 1,0079586... ε 7 1,69... 10 5 8 = 1,00796779... ε 8 6,9... 10 6.4. Clcul de l erreur L méthode de l sécnte fournit l encdrement n l b. Mis comme b est fixe cel ne donne ps d informtion exploitble pour l n. Voici une fçon générle d estimer l erreur, à l ide du théorème des ccroissements finis. Proposition Soit f : I R une fonction dérivble et l tel que f (l) = 0. S il existe une constnte m > 0 telle que pour tout x I, f (x) m lors f (x) x l m pour tout x I. Démonstrtion Pr l inéglité des ccroissement finis entre x et l : f (x) f (l) m x l mis f (l) = 0, d où l mjortion.

9 Exemple 1. Erreur pour 10 Soit f (x) = x 10 et l intervlle I = [3,4]. Alors f (x) = x donc f (x) 6 sur I. On pose donc m = 6, l = 10, x = n. On obtient l estimtion de l erreur : ε n = l n f ( n) m = n 10 6 Pr exemple on trouvé = 3,16... 3,17 donc 10 3,17 10 6 = 0,489. Pour 8 on trouvé 8 = 3,16776543347473... donc 10 8 8 10 6 = 6,14... 10 9. On en fit 7 décimles exctes près l virgule. Dns l prtique, voici le nombre d itértions suffisntes pour voir une précision de 10 n pour cet exemple. Grosso-modo, une itértion de plus donne une décimle supplémentire. 10 10 ( 10 décimles) 10 itértions 10 100 ( 100 décimles) 107 itértions 10 1000 ( 1000 décimles) 1073 itértions Exemple. Erreur pour (1,10) 1/1 On pose f (x) = x 1 1,10, I = [1;1,10] et l = (1,10) 1/1. Comme f (x) = 1x 11, si on pose de plus m = 1, on f (x) m pour x I. On obtient ε n = l n 1 n 1,10. 1 Pr exemple 8 = 1.007967797318543... donc (1,10) 1/1 8 1 8 1,10 = 6,9... 10 6. 1.5. Algorithme Voici l lgorithme : c est tout simplement l mise en œuvre de l suite récurrente ( n ). Algorithme. secnte.py def secnte(,b,n): for i in rnge(n): = -f()*(b-)/(f(b)-f()) return Mini-exercices 1. À l min, clculer un encdrement à 0,1 près de 3. Idem vec 3.. Clculer une pproximtion des solutions de l éqution x 3 + 1 = 3x. 3. Clculer une pproximtion de l solution de l éqution (cos x = 0) sur [0,π]. Idem vec (cos x = sin x).

10 4. Étudier l éqution (exp( x) = ln(x)). Donner une pproximtion de l (ou des) solution(s) et une mjortion de l erreur correspondnte. 3. L méthode de Newton 3.1. Méthode de Newton L méthode de Newton consiste à remplcer l sécnte de l méthode précédente pr l tngente. Elle est d une redoutble efficcité. Prtons d une fonction dérivble f : [, b] R et d un point u 0 [, b]. On ppelle (u 1,0) l intersection de l tngente u grphe de f en (u 0, f (u 0 )) vec l xe des bscisses. Si u 1 [, b] lors on recommence l opértion vec l tngente u point d bscisse u 1. Ce processus conduit à l définition d une suite récurrente : u 0 [, b] et u n+1 = u n f (u n) f (u n ). Démonstrtion En effet l tngente u point d bscisse u n pour éqution : y = f (u n )(x u n )+f (u n ). Donc le point (x,0) pprtennt à l tngente (et à l xe des bscisses) vérifie 0 = f (u n )(x u n )+ f (u n ). D où x = u n f (u n) f (u n ). f (u n ) u n+1 u n 3.. Résultts pour 10 Pour clculer, on pose f (x) = x, vec f (x) = x. L suite issue de l méthode de Newton est déterminée pr u 0 > 0 et l reltion de récurrence u n+1 = u n u n u n. Suite qui pour cet exemple s ppelle suite de Héron et que l on récrit souvent u 0 > 0 et u n+1 = 1 (u n + un ).

11 Proposition 3 Cette suite (u n ) converge vers. Pour le clcul de 10, on pose pr exemple u 0 = 4, et on peut même commencer les clculs à l min : u 0 = 4 ( ) u 1 = 1 u 0 + 10 u 0 = 1 ( ) 4 + 10 4 = 13 ( ) 4 = 3,5 ( ) u = 1 u 1 + 10 u 1 = 1 13 4 + 10 13 = 39 104 = 3,1634... ( ) 4 u 3 = 1 u + 10 u = 16401 6843 = 3,167788... u 4 = 3,1677660168387... Pour u 4 on obtient 10 = 3,16776601683... vec déjà 13 décimles exctes! Voici l preuve de l convergence de l suite (u n ) vers. Démonstrtion u 0 > 0 et u n+1 = 1 (u n + un ). 1. Montrons que u n pour n 1. Tout d bord u n+1 = 1 4 ( u n + u n ) = 1 4u (u 4 n u n + ) = 1 (u n ) n 4 u n Donc u n+1 0. Comme il est clir que pour tout n 0, u n 0, on en déduit que pour tout n 0, u n+1. (Notez que u 0 lui est quelconque.). Montrons que (u n ( ) n 1 est une suite décroissnte qui converge. Comme u n+1 u n = 1 1 + u n ), et que pour n 1 on vient de voir que u n (donc 1), lors u n u n+1 u n 1, pour tout n 1. Conséquence : l suite (u n ) n 1 est décroissnte et minorée pr 0 donc elle converge. 3. (u n ) converge vers. Notons ( l l limite de (u n ). Alors u n l et u n+1 l. Lorsque n + dns l reltion u n+1 = 1 u n + u n ), on obtient l = 1 ( ) l + l. Ce qui conduit à l reltion l = et pr positivité de l suite, l =. 3.3. Résultts numériques pour (1,10) 1/1 Pour clculer (1,10) 1/1, on pose f (x) = x 1 vec = 1,10. On f (x) = 1x 11. On obtient u n+1 = u n u1 n. Ce que l on reformule insi : 1u 11 n ( 11u n + ). u 0 > 0 et u n+1 = 1 1 Voici les résultts numériques pour (1,10) 1/1 en prtnt de u 0 = 1. u 0 = 1 u 1 = 1,0083333333333333... u = 1,0079748433368980... u 3 = 1,0079741404315996... u 4 = 1,007974140489038... u 11 n

1 Toutes les décimles ffichées pour u 4 sont exctes : (1,10) 1/1 = 1,007974140489038... 3.4. Clcul de l erreur pour 10 Proposition 4 1. Soit k tel que u 1 k. Alors pour tout n 1 : u n ( ) k n 1. Pour = 10, u 0 = 4, on : u n ( ) 1 n 1 10 8 4 Admirez l puissnce de l méthode de Newton : 11 itértions donnent déjà 1000 décimles exctes près l virgule. Cette rpidité de convergence se justifie grâce u clcul de l erreur : l précision est multipliée pr à chque étpe, donc à chque itértion le nombre de décimles exctes double! 10 10 ( 10 décimles) 4 itértions 10 100 ( 100 décimles) 8 itértions 10 1000 ( 1000 décimles) 11 itértions Démonstrtion 1. Dns l preuve de l proposition 3, nous vons vu l églité : u n+1 = (u n ) 4u n donc (u n+1 )(u n+1 + ) = (u n ) (u n + ) 4u n Ainsi comme u n pour n 1 : u n+1 = (u n ) 1 u n+1 + 1 4 ( 1 + u n ) (u n ) 1 1 4 (1+1) = 1 (u n ) Si k vérifie u 1 k, nous llons en déduire pr récurrence, pour tout n 1, l formule u n ( ) k n 1 C est vri pour n = 1. Supposons l formule vrie u rng n, lors : u n+1 1 (u n ) = 1 ( ( ) ) k n 1 ( ) = ( ) k n L formule est donc vri u rng suivnt.. Pour = 10 vec u 0 = 4 on u 1 = 3,5. Comme 3 10 4 lors u 1 10 u 1 3 1 4. On fixe donc k = 1 4. Toujours pr l encdrement 3 10 4, l formule obtenue précédemment devient u n 4 ( 1 ) n 1 ( ) 4 1 n 1 = 8. 3 4

13 3.5. Algorithme Voici l lgorithme pour le clcul de. On précise en entrée le réel 0 dont on veut clculer l rcine et le nombre n d itértions. Algorithme. newton.py def rcine_crree(,n): u=4 # N'importe qu'elle vleur > 0 for i in rnge(n): u = 0.5*(u+/u) return u En utilisnt le module deciml le clcul de u n pour n = 11 donne 1000 décimles de 10 : 3, 167766016837933199889354443718533719555139351 686857504857959443863938134448108379300951 873478415840055148548856030453880014690519596700 15390334491657179599406591501534741133394841408 53169957709047157646104436957879060378086099418 83717115484063855999118596845640336961604691 3143361894979189066595436167617878135006138818 678580463683134954780311437693346719738195131856 7840331417954018308045878446146005357757970 886440904407977896034543989163349656106779 65167603104843669779375696155705003698949094694 185000735834884464388731109891090434805435653 40390774019786543759396417600130699000095578446 31096679069441833613018130894541703315807731663 8639519379370465476506306368658719780493146 05345411160935697988134597000798883537595853 85795136964686511497675171345955938039375651 53698551949553509994703884399033646616547064734 999796133434030185705187836676345789510739887 51579451577165139663443839901848456093576600 Mini-exercices 1. À l clculette, clculer les trois premières étpes pour une pproximtion de 3, sous forme de nombres rtionnels. Idem vec 3.. Implémenter l méthode de Newton, étnt données une fonction f et s dérivée f. 3. Clculer une pproximtion des solutions de l éqution x 3 + 1 = 3x. 4. Soit > 0. Comment clculer 1 pr une méthode de Newton? 5. Clculer n de sorte que u n 10 10 l (vec u 0 = 4, u n+1 = 1 (u n + un ), = 10).

14 Auteurs Auteurs : Arnud Bodin, Niels Borne, Lur Desideri Dessins : Benjmin Boutin