Résolution d équations numériques

Documents pareils
Synthèse de cours (Terminale S) Calcul intégral

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

Chapitre 2 Le problème de l unicité des solutions

Cours d Analyse IV Suites et Séries de fonctions

semestre 3 des Licences MISM annnée universitaire

Techniques d analyse de circuits

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

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

Tout ce qu il faut savoir en math

ANALYSE : FONCTIONS D UNE VARIABLE RÉELLE

ANALYSE NUMERIQUE NON-LINEAIRE

STI2D Logique binaire SIN. L' Algèbre de BOOLE

Théorème de Poincaré - Formule de Green-Riemann

Chapitre 11 : L inductance

Séquence 8. Probabilité : lois à densité. Sommaire

Chapitre 1 : Fonctions analytiques - introduction

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

Module 2 : Déterminant d une matrice

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

Intégrale et primitives

Chapitre VI Contraintes holonomiques

Image d un intervalle par une fonction continue

LANGAGES - GRAMMAIRES - AUTOMATES

Notes de révision : Automates et langages

Turbine hydraulique Girard simplifiée pour faibles et très faibles puissances

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

Leçon 01 Exercices d'entraînement

Résolution d équations non linéaires

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

Compte rendu de la validation d'un observateur cascade pour la MAS sans capteurs mécaniques sur la plate-forme d'essai de l'irccyn

Continuité en un point

3- Les taux d'intérêt

Chp. 4. Minimisation d une fonction d une variable

Équations non linéaires

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

Baccalauréat S Asie 19 juin 2014 Corrigé

Algorithmes sur les mots (séquences)

3 Approximation de solutions d équations

Continuité et dérivabilité d une fonction

Université Paris-Dauphine DUMI2E 1ère année, Applications

/HVV\VWqPHVFRPELQDWRLUHV

Capes Première épreuve

Chapitre 2 Le problème de l unicité des solutions

Limites finies en un point

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

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

- Phénoméne aérospatial non identifié ( 0.V.N.I )

Amphi 3: Espaces complets - Applications linéaires continues

LEÇON N 7 : Schéma de Bernoulli et loi binomiale. Exemples.

Partie 4 : La monnaie et l'inflation

LES MÉTHODES DE POINT INTÉRIEUR 1

SYSTEME DE TELEPHONIE

Analyse stochastique de la CRM à ordre partiel dans le cadre des essais cliniques de phase I

Exercices - Fonctions de plusieurs variables : corrigé. Pour commencer

CCP PSI Mathématiques 1 : un corrigé

Guide des bonnes pratiques

Développements limités. Notion de développement limité

Chapitre 2. Eléments pour comprendre un énoncé

Chapitre 3. Mesures stationnaires. et théorèmes de convergence

Commun à tous les candidats

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

Cours d Analyse. Fonctions de plusieurs variables

MESURE ET INTÉGRATION EN UNE DIMENSION. Notes de cours

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

Cours de méthodes de scoring

Théorèmes du Point Fixe et Applications aux Equations Diérentielles

Optimisation des fonctions de plusieurs variables

I. Ensemble de définition d'une fonction

Exercice autour de densité, fonction de répatition, espérance et variance de variables quelconques.

Guide d'utilisation Easy Interactive Tools Ver. 2

Sciences Industrielles Précision des systèmes asservis Papanicola Robert Lycée Jacques Amyot

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

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

4. Martingales à temps discret

Magister en : Génie Mécanique

Structures algébriques

Théorème du point fixe - Théorème de l inversion locale

Intégrales généralisées

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

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

Régression multiple : principes et exemples d application. Dominique Laffly UMR CNRS Université de Pau et des Pays de l Adour Octobre 2006

Rappels sur les suites - Algorithme

Espérance conditionnelle

IV- Equations, inéquations dans R, Systèmes d équations

Suites numériques 3. 1 Convergence et limite d une suite

M2 IAD UE MODE Notes de cours (3)


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

Toyota Assurances Toujours la meilleure solution

Master IMA - UMPC Paris 6 RDMM - Année Fiche de TP

RO04/TI07 - Optimisation non-linéaire

Calcul fonctionnel holomorphe dans les algèbres de Banach

Chapitre 6. Fonction réelle d une variable réelle

CNAM UE MVA 210 Ph. Durand Algèbre et analyse tensorielle Cours 4: Calcul dierentiel 2

Compte rendu des TP matlab

Correction du baccalauréat S Liban juin 2007

FONDATION CLEMENTINE ET MAURICE ANTILLE

Electrovanne double Dimension nominale Rp 3/8 - Rp 2 DMV-D/11 DMV-DLE/11

TOUT CE QU IL FAUT SAVOIR POUR LE BREVET

Transcription:

Résolution d équtions numériques Dniel PERRIN On présente ici trois méthodes de résolution d équtions : les méthodes de Newton, d interpoltion linéire et, très rièvement, d justement linéire. Pour des compléments sur ces questions on pourr consulter le livre de J.-L. Overt et J.-L. Verley, Anlyse, Vol. 1, Cedic, Chpitre VI 2 (ce livre n est plus disponile en liririe mis l iliothèque en quelques exemplires). 1 Introduction 1.1 Les méthodes Soit f : [, ] R une fonction de clsse C 1 et supposons que f dmette un zéro α entre et (c est le cs si f() et f() sont de signes contrires). Nous supposerons que α est le seul zéro de f dns [, ] (c est le cs si f est monotone sur [, ] et on peut en générl s y rmener en restreignnt l intervlle [, ]). Notre ojectif est de décrire des lgorithmes permettnt de clculer l rcine α. Pour cel, l idée est de remplcer l éqution f(x) = 0 pr une éqution équivlente du type g(x) = x et d utiliser une suite récurrente x n+1 = g(x n ) dont on sit que, si elle converge, c est vers un point fixe de g, donc un zéro de f, c est-à-dire vers α. Il existe toujours de telles fonctions g, pr exemple g(x) = f(x) + x. On même une certine ltitude sur g, on peut prendre, en effet : g(x) = x + µf(x) vec µ 0, ou encore g(x) = x + µ(x)f(x) où µ est une fonction qui ne s nnule ps sur [, ]. Dns tous ces cs on ur ien f(x) = 0 g(x) = x. Il reste à choisir le sclire ou l fonction µ pour que l suite x n+1 = g(x n ) converge effectivement vers α. On sit que cel est lié à l vleur de g (α) : si on g (α) > 1 l suite ne converge ps (suf si elle est constnte à prtir d un certin rng), si on g (α) < 1 elle converge (pourvu que x 0 soit ssez voisin de α) et le meilleur choix est celui qui donne g (α) = 0 et qui ssure une convergence très rpide. Dns le cs présent, si on prend g(x) = x + µf(x) on g (α) = 1 + µf (α), de sorte que le choix optiml serit de prendre µ = 1 f (α). On noter que ce choix n est possile que si f (α) est non nul, c est-à-dire si α n est ps rcine doule de l éqution. De plus, comme α est inconnu, ce choix est en générl imprticle et on se contenter d une vleur pprochée. Il y pour cel plusieurs solutions qui fournissent chcune des lgorithmes de clcul de α : 1) Les méthodes d justement linéire consistent à prendre µ constnt et non nul. Il y deux vrintes très voisines, en prennt µ = 1/λ, donc g(x) = x f(x) λ vec λ = f (β) f(γ) f(δ) vec β ], [, le plus proche possile de α, ou λ = vec γ, δ ], [, voisins γ δ de α, ce qui revient u même puisque, pr le théorème des ccroissements finis, il existe ɛ ]γ, δ[ tel que f(γ) f(δ) = (γ δ)f (ɛ). 1

2) L méthode de Newton est du premier type de 1) mis vec λ vrile, λ = f (x) : g(x) = x f(x) f (x). 3) Enfin, l méthode d interpoltion linéire est du second type de 1) vec λ vrile : f(γ) f(x) λ(x) =. γ x Les méthodes d justement et d interpoltion linéire donnent des convergences de type géométrique (i.e. en k n vec 0 < k < 1), celle de Newton donne une convergence rpide (i.e. en k 2n vec 0 < k < 1). 1.2 Le cdre Pour simplifier, nous ferons les hypothèses suivntes : 1.1 Hypothèses et nottions. On considère une fonction f : [, ] R, de clsse C 2, vérifint les conditions suivntes : 1) f ne s nnule ps sur [, ], donc grde un signe constnt, de sorte que f est monotone sur [, ]. 2) f()f() est < 0, de sorte que f dmet un unique zéro α dns ], [. 3) f grde un signe constnt sur [, ] (donc f est concve ou convexe). L fonction f étnt continue et non nulle sur [, ] dmet une orne inférieure que nous noterons m. L fonction f étnt continue sur [, ] dmet une orne supérieure que nous noterons M. 1.2 Remrques. 1) On noter que les hypothèses ci-dessus peuvent toujours être rélisées en restreignnt suffismment l intervlle [, ], suf si on f (α) = 0 (α rcine doule de f) ou f (α) = 0 (α point d inflexion de f). 2) On peut toujours se rmener u cs où f et f sont positives, c est-à-dire où f est croissnte et convexe. En effet, si f est croissnte et concve (resp. décroissnte et convexe, resp. décroissnte et concve), il suffit de remplcer l éqution f(x) = 0 pr f 1 (x) = 0 (resp. f 2 (x) = 0, resp f 3 (x) = 0) vec f 1 (x) = f( x) (resp. f 2 (x) = f( x), resp. f 3 (x) = f(x)). 2 L méthode de Newton Comme on l dit, l méthode de Newton consiste, pour clculer α, à introduire l fonction : g(x) = x f(x) f (x). L interpréttion géométrique de g est l suivnte : on écrit l tngente u grphe de f en le point (x, f(x)), c est l droite d éqution Y f(x) = f (x)(x x) et on coupe cette droite pr l xe des x, Y = 0, on otient lors X = g(x) qui ser une vleur pprochée de α. On réitère l opértion pour otenir une suite x n qui converge vers α, voir figures ci-dessous. 2

f' >0, f">0 x 2 x 1 =x 0 f'<0, f"<0 f'<0, f">0 f'>0, f"<0 2.1 Théorème. Soit x 0 [, ]. On suppose que x 0 vérifie l condition f(x 0 )f (x 0 ) > 0 (règle de Fourier). Alors, si on définit l suite (x n ) pr l reltion de récurrence x n+1 = g(x n ), l suite (x n ) est monotone, elle converge vers α et on l mjortion : ( ) x n α 2m M 2 n M 2m x 0 α. Démonstrtion. On peut supposer f et f positives. On lors f() < 0, f() > 0 et l règle de Fourier impose f(x 0 ) > 0, c est-à-dire x 0 > α. 2.2 Lemme. L intervlle J = [α, ] est stle pr g et on, pour x J, g(x) x. Démonstrtion. Les fonctions f et f étnt positives sur J, on déjà g(x) x. Pour voir que g reste supérieur à α, on étudie l fonction g(x) α = x α f(x) ou encore f (x) l fonction u(x) = (x α)f (x) f(x). On u (x) = (x α)f (x) 0, de sorte que u est croissnte sur J. Comme elle s nnule en α, elle est positive, donc ussi g(x) α. Comme J est stle pr g, l suite (x n ) est ien définie et elle est est minorée pr α. De plus, l inéglité g(x) x montre qu elle est décroissnte. Elle est donc convergente, et s limite est l unique point fixe de g, qui est α. Les mjortions résultent du lemme suivnt : 2.3 Lemme. On suppose f, f positives. Pour x [α, ] on g(x) α M 2m (x α)2. 3

Démonstrtion. On g(x) α = (x α) f(x) f (x) = f (x)(x α) f(x) f (x) et on mjore cette frction en minornt le dénominteur pr m et en mjornt le numérteur u(x) = f (x)(x α) f(x) + f(α). On u (x) = f (x)(x α) et on mjore u(x) = u(x) u(α) (u(α) est nul cr f(α) l est) pr l formule de l moyenne : u(x) u(α) = x α x f (t)(t α)dt M (x α)2 (t α)dt = M. 2 Le lemme 2.3 ppliqué à x n 1 donne l inéglité x n α M récurrence sur n, donne l formule nnoncée : x n α ( M )1+2+ +2 n 1 (x 2m 0 α) 2n. α 2m (x n 1 α) 2 qui, pr 2.4 Remrque. Lorsque l quntité ( M x 2m 0 α ) est < 1, l convergence de x n vers α est une convergence rpide. On noter que, puisque x n converge vers α, cette condition est rélisée pourvu qu on remplce x 0 pr x n pour n ssez grnd. Dns l prtique, on constter que l méthode de Newton converge vec une rpidité stupéfinte. 3 L méthode d interpoltion linéire Cette méthode porte de nomreux utres noms : méthode des cordes, de fusse position, de Lgrnge, des prties proportionnelles. Pour simplifier, nous supposerons f et f positives, ce qui implique f croissnte, convexe et f() < 0, f() > 0. Le cs générl est nlogue, muttis mutndis. Nous urons esoin de quelques propriétés des fonctions convexes : 3.1 Rppels. On suppose f convexe, c est-à-dire f 0. 1) L coure représenttive de f est u-dessus de ses tngentes, c est-à-dire qu on, pour tout c ], [ et tout x dns [, ] : f(x) f(c) + (x c)f (c). f(x) f(y) 2) Si x et y sont distincts, l pente p(x, y) = p(y, x) = x y pour x fixé), une fonction croissnte de x (resp. de y). est, pour y fixé (resp. Démonstrtion. 1) On étudie l différence δ(x) = f(x) f(c) (x c)f (c). 2) On se rmène u point 1) en dérivnt p(x, y) pr rpport à x. On considère les points B = (, f()) et M = (x, f(x)) du grphe de f. L pente de l droite (MB) est p(x, ) et on peut écrire l éqution de l droite (MB) sous l forme 4

Y = f(x) + p(x, )(X x) ou Y = f() + p(x, )(X ). Cette droite coupe l xe des x u point (g(x), 0) vec : g(x) = x f(x) p(x, ) = f() p(x, ). On otient insi l vleur pprochée g(x) de α. On réitère l opértion pour otenir une suite x n qui converge vers α, voir figure ci-dessous. B B x g(x)! =x 0 x 1 x 2 x 3! M A 3.2 Théorème. On suppose f et f positives. Soit x 0 [, ], x 0 < α. L suite (x n ), définie pr l reltion de récurrence x n+1 = g(x n ), est croissnte, elle converge vers α et on l mjortion : [ x n α 1 p(x ] n 0, α) x 0 α. p(α, ) Démonstrtion. On commence pr un lemme : 3.3 Lemme. L intervlle I = [, α] est stle pr g et on, pour x I, g(x) x. x Démonstrtion. Soit x I. On g(x) = x f(x) f() f(x), négtive sur I, montre g(x) x. Pour montrer g(x) α on clcule α g(x) = ce qui, comme f est u(x) f() f(x), vec u(x) = (α x)(f() f(x)) + f(x)( x) et il s git de montrer que cette quntité est positive. On u (x) = f() + ( α)f (x), donc u (x) = f (x)( α) 0. L fonction u est donc croissnte sur [, α] et en α elle vut u (α) = f() + ( α)f (α) = f(α) f() + ( α)f (α) qui est 0 en vertu de 3.1.1. Il en résulte que u est décroissnte et, comme elle est nulle en α, elle est positive sur [, α]. On peut lors revenir u théorème. Comme I est stle pr g, l suite (x n ) est ien définie, mjorée pr α et croissnte. Elle converge donc vers l unique point fixe de g, à svoir α. L mjortion est otenue pr récurrence à prtir du lemme suivnt : [ 3.4 Lemme. Pour x [, α], on 0 α g(x) (α x) 1 p(x ] 0, α). p(α, ) Démonstrtion. Un clcul immédit donne, en tennt compte de f(α) = 0 : [ ] p(x, α) α g(x) = (α x) 1. p(x, ) 5

On otient l mjortion en minornt p(x, α) pr p(x 0, α) et en mjornt p(x, ) pr p(α, ) en vertu de 3.1.2. 3.5 Remrque. Lorsqu on ne suppose plus f et f positives, le choix de x 0 et celui de l extrémité fixe des cordes dépendent de l monotonie et de l concvité de f. L règle est l suivnte : on suppose que x 0 vérifie l condition f(x 0 )f (x 0 ) < 0. Soit e l extrémité ( ou ) telle que α soit entre x 0 et e. On construit le point x n+1 comme intersection de l droite qui joint le point le point d scisse x n de l coure et le point (e, f(e)). 4 L méthode d justement linéire Nous en donnons seulement un ref perçu. On pose g(x) = x f(x) où λ est un λ sclire non nul et on définit l suite (x n ) pr récurrence, à prtir de x 0 [, ], pr x n+1 = g(x n ). Attention, il fut vérifier que l suite est ien définie, c est à dire que les x n ne sortent ps de [, ]. On prt d un point P n = (x n, f(x n )) du grphe de f. On trce l droite de pente λ pssnt pr P n qui pour éqution y f(x n ) = λ(x x n ). Cette droite coupe l xe des x u point d scisse x n+1, cf. figure ci-dessous, vec x n+1 = x n f(x n) λ = g(x n ). Lorsqu on itère ce procédé on trce donc des sécntes toutes de pente λ d où le nom de méthode des sécntes prllèles donné prfois à cette méthode. Pour fixer les idées supposons f et f positives, donc f croissnte et convexe. Comme le sclire λ doit être le plus proche possile de f (α), nous prendrons λ > 0. On sit que l monotonie de l suite (x n ) dépend du signe de g (α). Ici, on g (α) = 1 f (α)/λ et donc g (α) > 0 λ > f (α) et g (α) < 0 λ < f (α). On ur donc pour l suite (x n ) un comportement en esclier si et seulement si l pente λ est plus grnde que l pente de l tngente u grphe de f en α et un comportement en escrgot sinon. x 0 = x 1 x 2 x 3 x 4! x 0 x 2 x 5! x 4 x 1 6