Exercice 1 : La bissection : lente, mais elle ne rate jamais
Le théorème des valeurs intermédiaires prouve qu'une racine existe ; il ne dit pas où. La bissection transforme cette preuve en algorithme. Le fil de la série est là : une méthode numérique ne livre pas la racine, elle livre une SUITE qui s'en approche, et les seules vraies questions sont la convergence et sa vitesse.
- a) Soit . Vérifiez que , puis décrivez l'algorithme de bissection en trois lignes.
- b) Effectuez les trois premières itérations et donnez l'encadrement obtenu, comme sur la figure.
- c) Après itérations, quelle est la largeur de l'intervalle si l'on part de ? Combien d'itérations faut-il pour garantir une précision de ?
- d) La bissection est dite à convergence LINÉAIRE de rapport . Combien d'itérations faut-il pour gagner une décimale ?
- e) Citez la propriété que la bissection possède et que la méthode de Newton n'a pas.
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Réponses
- a)
- b)
- c) Largeur ; itérations
- d) itérations par décimale
- e) La garantie de convergence
a) et ✓, et est continue comme polynôme. Algorithme : on calcule le milieu de l'intervalle, on évalue , puis on garde celle des deux moitiés dont les extrémités donnent des signes opposés. On recommence. À chaque tour, l'intervalle contient encore une racine et sa largeur est divisée par deux.
b) : , donc on garde . : , on garde . : , on garde cette fois la moitié DROITE, . Largeur atteinte : , et la racine y est.
c) La largeur après itérations vaut . Pour garantir , il faut , donc itérations. C'est un nombre connu D'AVANCE, indépendant de la fonction : c'est la grande force de la méthode, on peut promettre la précision avant d'avoir commencé.
d) Gagner une décimale, c'est diviser l'erreur par 10. Comme chaque itération la divise par 2, il faut tel que , soit : il faut donc entre 3 et 4 itérations par décimale. C'est le rythme régulier caractéristique d'une convergence linéaire, et il faut le comparer au comportement de Newton, qui DOUBLE le nombre de décimales à chaque tour.
e) La GARANTIE. Si le signe change aux bornes et si la fonction est continue, la bissection converge toujours, quelle que soit la fonction, et l'on connaît l'erreur maximale à chaque étape. Newton est beaucoup plus rapide mais peut diverger, cycler, ou converger vers une autre racine que celle qu'on visait. C'est pourquoi les bibliothèques numériques sérieuses combinent les deux : bissection pour approcher sans risque, puis Newton pour finir vite.