Calcul différentiel 201-NYA • Complément québécois de Terminale et cégep à Montréal

Exercices corrigés : la résolution approchée d'équations (201-NYA)

Voici la série d'exercices corrigés de calcul différentiel 201-NYA sur la résolution approchée d'équations : bissection, méthode de Newton, méthode de la sécante et itérations de point fixe. C'est le chapitre où la dérivée cesse d'être un objet d'étude pour devenir un outil de calcul.

Le fil de la série tient en une phrase : une méthode numérique ne livre jamais la racine, elle livre une SUITE qui s'en approche, et les deux seules vraies questions sont la convergence et sa vitesse. Tout le reste, garantie contre rapidité, coût par itération, critère d'arrêt, découle de ces deux questions.

La partie A construit les deux méthodes de base, mesure la convergence quadratique et recense les quatre façons dont Newton échoue. La partie B ajoute la sécante et le point fixe, puis va chercher deux applications hors des mathématiques : la façon dont un processeur fabrique une division et une racine cubique, et le taux de rendement interne d'un investissement. Tous les corrigés sont sur la page.

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Ce chapitre fait partie de Calcul différentiel, 201-NYA
Avant de commencer Fiche de révision : les pièges et la méthode de ce chapitre

Avant ce chapitre

Ces notions sont supposées acquises ici. Si le premier exercice résiste, le blocage vient presque toujours de l'une d'elles, pas du chapitre lui-même.

Remonter plus loin : la chaîne complète (7 chapitres) ↓

Le chemin de remédiation, du plus ancien au plus proche. Un élève qui reprend ce chapitre de zéro le reprend dans cet ordre.

  1. 1Calculs algébriquesSecondaire 5 SN5
  2. 2Les fonctions définies par partiesSecondaire 5 SN5
  3. 3La fonction rationnelle, dite homographiqueSecondaire 5 SN5
  4. 4Les opérations sur les fonctionsSecondaire 5 SN5
  5. 5Fonctions et domaine
  6. 6Limites et continuité
  7. 7La dérivée et ses règles

Rappel de cours

  • BISSECTION : si ff est continue sur [a ; b][a\ ;\ b] avec f(a)f(b)<0f(a)f(b)<0, on coupe l'intervalle en deux et l'on garde la moitié où le signe change. Largeur après nn tours : ba2n\frac{b-a}{2^{n}}. Convergence LINÉAIRE de rapport 12\frac{1}{2}, environ 3,323{,}32 itérations par décimale, mais GARANTIE.
  • NEWTON : xn+1=xnf(xn)f(xn)x_{n+1}=x_{n}-\frac{f(x_{n})}{f'(x_{n})}, obtenue en résolvant l'équation de la tangente. Convergence QUADRATIQUE au voisinage d'une racine simple : le nombre de décimales exactes double à chaque tour, avec en+1f(r)2f(r)en2e_{n+1}\approx\frac{f''(r)}{2f'(r)}e_{n}^{2}.
  • LES QUATRE ÉCHECS DE NEWTON : f(xn)=0f'(x_{n})=0 et division impossible ; cycle entre deux valeurs, comme sur x32x+2x^{3}-2x+2 partant de 0 ; divergence, comme sur x1/3x^{1/3}xn+1=2xnx_{n+1}=-2x_{n} ; convergence seulement linéaire sur une racine multiple, où ff et ff' s'annulent ensemble.
  • SÉCANTE : xn+1=xnf(xn)xnxn1f(xn)f(xn1)x_{n+1}=x_{n}-f(x_{n})\frac{x_{n}-x_{n-1}}{f(x_{n})-f(x_{n-1})}, la tangente remplacée par la corde des deux derniers points. Ordre φ1,618\varphi\approx 1{,}618, mais UNE seule évaluation par tour : souvent plus efficace que Newton à coût égal, puisque φ22,618>2\varphi^{2}\approx 2{,}618>2.
  • POINT FIXE : on réécrit f(x)=0f(x)=0 en x=g(x)x=g(x) et l'on itère xn+1=g(xn)x_{n+1}=g(x_{n}). La suite converge si g(r)<1\left|g'(r)\right|<1 au voisinage du point fixe, en ESCALIER si g>0g'>0, en SPIRALE si g<0g'<0. Newton est le cas particulier où g(r)=0g'(r)=0, ce qui explique sa vitesse.
  • CAS UTILES : a\sqrt{a} par xn+1=12(xn+axn)x_{n+1}=\frac{1}{2}\left(x_{n}+\frac{a}{x_{n}}\right) ; 1a\frac{1}{a} sans division par xn+1=xn(2axn)x_{n+1}=x_{n}\left(2-ax_{n}\right) ; a3\sqrt[3]{a} par xn+1=13(2xn+axn2)x_{n+1}=\frac{1}{3}\left(2x_{n}+\frac{a}{x_{n}^{2}}\right).

Partie A : les bases (/50)

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.

[1 ; 2]f(1,5) > 0[1 ; 1,5]f(1,25) > 0[1 ; 1,25]f(1,125) < 0[1,125 ; 1,25]largeur 0,125
  • a) Soit f(x)=x3+3x5f(x)=x^{3}+3x-5. Vérifiez que f(1)<0<f(2)f(1)<0<f(2), 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 nn itérations, quelle est la largeur de l'intervalle si l'on part de [1 ; 2][1\ ;\ 2] ? Combien d'itérations faut-il pour garantir une précision de 10610^{-6} ?
  • d) La bissection est dite à convergence LINÉAIRE de rapport 12\frac{1}{2}. 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) f(1)=1<0<9=f(2)f(1)=-1<0<9=f(2)
  • b) [1,125;1,25][1{,}125\,;1{,}25]
  • c) Largeur 2n2^{-n} ; 2020 itérations
  • d) ln10ln23,32\frac{\ln 10}{\ln 2}\approx 3{,}32 itérations par décimale
  • e) La garantie de convergence

a) f(1)=1+35=1<0f(1)=1+3-5=-1<0 et f(2)=8+65=9>0f(2)=8+6-5=9>0 ✓, et ff est continue comme polynôme. Algorithme : on calcule le milieu mm de l'intervalle, on évalue f(m)f(m), 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) m1=1,5m_{1}=1{,}5 : f(1,5)=3,375+4,55=2,875>0f(1{,}5)=3{,}375+4{,}5-5=2{,}875>0, donc on garde [1 ; 1,5][1\ ;\ 1{,}5]. m2=1,25m_{2}=1{,}25 : f(1,25)=1,953125+3,755=0,703125>0f(1{,}25)=1{,}953125+3{,}75-5=0{,}703125>0, on garde [1 ; 1,25][1\ ;\ 1{,}25]. m3=1,125m_{3}=1{,}125 : f(1,125)=1,423828+3,3755=0,201172<0f(1{,}125)=1{,}423828+3{,}375-5=-0{,}201172<0, on garde cette fois la moitié DROITE, [1,125 ; 1,25][1{,}125\ ;\ 1{,}25]. Largeur atteinte : 0,1250{,}125, et la racine y est.

c) La largeur après nn itérations vaut 212n=2n\frac{2-1}{2^{n}}=2^{-n}. Pour garantir 2n1062^{-n}\leq 10^{-6}, il faut n6ln10ln219,93n\geq\frac{6\ln 10}{\ln 2}\approx 19{,}93, donc n=20n=20 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 nn tel que 2n102^{n}\geq 10, soit nln10ln23,32n\geq\frac{\ln 10}{\ln 2}\approx 3{,}32 : 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.

Exercice 2 : La méthode de Newton : remplacer la courbe par sa tangente

L'idée tient en une phrase : là où la courbe est difficile, sa tangente ne l'est pas. On résout donc l'équation sur la tangente, on recommence, et l'on obtient la méthode la plus utilisée de tout le calcul numérique.

11.21.41.61.822.22.4-1-0.50.511.522.53x0 = 2x1 = 1,5la tangente remplace la courbex2 = 1,4167 puis x3 = 1,414214
  • a) Écrivez l'équation de la tangente à y=f(x)y=f(x) au point d'abscisse xnx_{n}, puis trouvez son point d'intersection avec l'axe des abscisses. Déduisez-en la formule de Newton.
  • b) La figure applique la méthode à f(x)=x22f(x)=x^{2}-2 en partant de x0=2x_{0}=2. Vérifiez les valeurs x1x_{1} et x2x_{2} affichées.
  • c) Montrez que pour f(x)=x2af(x)=x^{2}-a, la formule de Newton s'écrit xn+1=12(xn+axn)x_{n+1}=\frac{1}{2}\left(x_{n}+\frac{a}{x_{n}}\right). Interprétez cette expression comme une moyenne.
  • d) Appliquez Newton à f(x)=x3+3x5f(x)=x^{3}+3x-5 avec x0=1x_{0}=1, et donnez x1x_{1}, x2x_{2} et x3x_{3}.
  • e) Comparez avec le résultat de la bissection de l'exercice 1 après le même nombre d'évaluations.

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Réponses

  • a) xn+1=xnf(xn)f(xn)x_{n+1}=x_{n}-\frac{f(x_{n})}{f'(x_{n})}
  • b) 1,51{,}5 puis 1,41666671{,}4166667
  • c) Moyenne de xnx_{n} et axn\frac{a}{x_{n}}
  • d) 1,16666671{,}1666667 ; 1,15424841{,}1542484 ; 1,15417151{,}1541715
  • e) Erreur 10710^{-7} contre 0,1250{,}125

a) La tangente en xnx_{n} est y=f(xn)+f(xn)(xxn)y=f(x_{n})+f'(x_{n})(x-x_{n}). Elle coupe l'axe quand y=0y=0, soit x=xnf(xn)f(xn)x=x_{n}-\frac{f(x_{n})}{f'(x_{n})}, à condition que f(xn)0f'(x_{n})\neq 0. On pose donc xn+1=xnf(xn)f(xn)x_{n+1}=x_{n}-\frac{f(x_{n})}{f'(x_{n})} : c'est la formule de Newton. Elle n'a rien de mystérieux, c'est une équation de droite résolue.

b) f(2)=2f(2)=2 et f(2)=4f'(2)=4, donc x1=224=1,5x_{1}=2-\frac{2}{4}=1{,}5 ✓. Puis f(1,5)=0,25f(1{,}5)=0{,}25 et f(1,5)=3f'(1{,}5)=3, donc x2=1,50,253=1,4166667x_{2}=1{,}5-\frac{0{,}25}{3}=1{,}4166667 ✓. Une itération de plus donne x3=1,4142157x_{3}=1{,}4142157, à comparer avec 2=1,4142136\sqrt{2}=1{,}4142136 : trois itérations depuis un point de départ médiocre suffisent pour cinq décimales exactes.

c) f(x)=2xf'(x)=2x, donc xn+1=xnxn2a2xn=2xn2xn2+a2xn=xn2+a2xn=12(xn+axn)x_{n+1}=x_{n}-\frac{x_{n}^{2}-a}{2x_{n}}=\frac{2x_{n}^{2}-x_{n}^{2}+a}{2x_{n}}=\frac{x_{n}^{2}+a}{2x_{n}}=\frac{1}{2}\left(x_{n}+\frac{a}{x_{n}}\right). C'est la MOYENNE de xnx_{n} et de axn\frac{a}{x_{n}}. L'interprétation est jolie : si xnx_{n} est trop petit pour être a\sqrt{a}, alors axn\frac{a}{x_{n}} est trop grand, et la vraie racine est entre les deux. Cette formule était déjà connue des Babyloniens, mille ans avant que Newton n'en donne la justification générale.

d) f(x)=3x2+3f'(x)=3x^{2}+3. f(1)=1f(1)=-1 et f(1)=6f'(1)=6, donc x1=1+16=1,1666667x_{1}=1+\frac{1}{6}=1{,}1666667. Puis f(x1)=0,0879630f(x_{1})=0{,}0879630 et f(x1)=7,0833333f'(x_{1})=7{,}0833333, donc x2=1,16666670,0124183=1,1542484x_{2}=1{,}1666667-0{,}0124183=1{,}1542484. Enfin f(x2)=0,0005378f(x_{2})=0{,}0005378 et f(x2)=6,9969f'(x_{2})=6{,}9969, donc x3=1,1541715x_{3}=1{,}1541715. La racine exacte vaut 1,15417151{,}1541715 : sept décimales en trois tours.

e) La bissection avait donné, après trois évaluations, l'encadrement [1,125 ; 1,25][1{,}125\ ;\ 1{,}25], soit une erreur pouvant atteindre 0,1250{,}125. Newton, après trois évaluations, donne une erreur inférieure à 10710^{-7}. Le rapport est d'environ un million. C'est le prix à payer qui change : Newton exige de connaître ff' et un point de départ raisonnable, la bissection ne demande qu'un changement de signe.

Exercice 3 : La convergence quadratique : le nombre de décimales double

Dire que Newton est « rapide » ne veut rien dire tant qu'on n'a pas mesuré. La bonne mesure est le rapport entre l'erreur d'un tour et le CARRÉ de l'erreur du tour précédent.

  • a) Pour f(x)=x22f(x)=x^{2}-2 partant de x0=2x_{0}=2, calculez les erreurs en=xn2e_{n}=\left|x_{n}-\sqrt{2}\right| pour nn de 0 à 3.
  • b) Calculez les rapports en+1en2\frac{e_{n+1}}{e_{n}^{2}} et commentez leur stabilité.
  • c) Démontrez que pour xn+1=12(xn+axn)x_{n+1}=\frac{1}{2}\left(x_{n}+\frac{a}{x_{n}}\right) on a exactement en+1=en22xne_{n+1}=\frac{e_{n}^{2}}{2x_{n}}, en posant en=xnae_{n}=x_{n}-\sqrt{a}.
  • d) Combien de décimales exactes gagne-t-on par itération ? Comparez avec la bissection.
  • e) Quelle conséquence pratique cela a-t-il sur le critère d'arrêt d'un programme ?

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Réponses

  • a) 0,58580{,}5858 ; 0,08580{,}0858 ; 0,002450{,}00245 ; 2,12×1062{,}12\times 10^{-6}
  • b) Rapports vers 1220,3536\frac{1}{2\sqrt{2}}\approx 0{,}3536
  • c) en+1=en22xne_{n+1}=\frac{e_{n}^{2}}{2x_{n}}
  • d) Décimales doublées à chaque tour
  • e) L'écart entre itérés estime bien l'erreur

a) Avec 2=1,41421356\sqrt{2}=1{,}41421356 : e0=21,41421356=0,58578644e_{0}=\left|2-1{,}41421356\right|=0{,}58578644 ; e1=1,51,41421356=0,08578644e_{1}=\left|1{,}5-1{,}41421356\right|=0{,}08578644 ; e2=1,416666671,41421356=0,00245310e_{2}=\left|1{,}41666667-1{,}41421356\right|=0{,}00245310 ; e3=1,414215691,41421356=2,1239×106e_{3}=\left|1{,}41421569-1{,}41421356\right|=2{,}1239\times 10^{-6}.

b) e1e02=0,085786440,34314=0,25000\frac{e_{1}}{e_{0}^{2}}=\frac{0{,}08578644}{0{,}34314}=0{,}25000 ; e2e12=0,002453100,0073593=0,33333\frac{e_{2}}{e_{1}^{2}}=\frac{0{,}00245310}{0{,}0073593}=0{,}33333 ; e3e22=2,1239×1066,0177×106=0,35294\frac{e_{3}}{e_{2}^{2}}=\frac{2{,}1239\times 10^{-6}}{6{,}0177\times 10^{-6}}=0{,}35294. Les rapports se STABILISENT autour de 0,35361220{,}3536\approx\frac{1}{2\sqrt{2}}. C'est la signature de la convergence quadratique : l'erreur nouvelle est proportionnelle au carré de l'ancienne, avec une constante qui tend vers f(r)2f(r)=22×22=122\frac{f''(r)}{2f'(r)}=\frac{2}{2\times 2\sqrt{2}}=\frac{1}{2\sqrt{2}}.

c) xn+1a=xn2+a2xna=xn2+a2axn2xn=(xna)22xn=en22xnx_{n+1}-\sqrt{a}=\frac{x_{n}^{2}+a}{2x_{n}}-\sqrt{a}=\frac{x_{n}^{2}+a-2\sqrt{a}\,x_{n}}{2x_{n}}=\frac{\left(x_{n}-\sqrt{a}\right)^{2}}{2x_{n}}=\frac{e_{n}^{2}}{2x_{n}}. Le numérateur est un carré parfait, ce qui donne DEUX renseignements d'un coup : la convergence est quadratique, et en+1e_{n+1} est toujours positif, donc la suite approche la racine par valeurs supérieures dès le premier tour, quel que soit le point de départ positif.

d) Si l'erreur passe de 10k10^{-k} à environ C×102kC\times 10^{-2k}, le nombre de décimales exactes DOUBLE à chaque itération : 1, 2, 4, 8, 16. La bissection, elle, en gagne une toutes les 3,32 itérations. Pour atteindre 16 décimales à partir d'une décimale, Newton demande 4 tours, la bissection en demande une cinquantaine.

e) Elle rend le critère d'arrêt facile et sûr. Dès que deux itérés consécutifs coïncident sur kk décimales, le suivant en donnerait environ 2k2k : l'écart xn+1xn\left|x_{n+1}-x_{n}\right| est donc une excellente estimation de l'erreur restante, ce qui n'est pas vrai des méthodes linéaires. En pratique, on arrête dès que cet écart passe sous la précision voulue, et l'on sait qu'on a en réalité bien mieux. C'est aussi pourquoi un programme qui ne converge pas en une dizaine d'itérations ne convergera pas du tout : il faut détecter l'échec, pas insister.

Exercice 4 : Les quatre façons dont Newton échoue

Une méthode aussi rapide a forcément un prix, et il se paie sur la fiabilité. Savoir reconnaître les quatre modes d'échec vaut mieux que savoir réciter la formule.

-1.5-1-0.50.511.52-2-11234x0 = 0 renvoie 1x1 = 1 renvoie 0 : cycle sans finla vraie racine est vers -1,77
  • a) Que se passe-t-il si f(xn)=0f'(x_{n})=0 à une étape ? Donnez un exemple concret.
  • b) La figure montre f(x)=x32x+2f(x)=x^{3}-2x+2 avec x0=0x_{0}=0. Calculez x1x_{1} puis x2x_{2} et concluez.
  • c) Appliquez Newton à f(x)=x1/3f(x)=x^{1/3} avec x0=1x_{0}=1 et montrez que la suite diverge.
  • d) Appliquez Newton à f(x)=(x1)2f(x)=(x-1)^{2} avec x0=2x_{0}=2. La méthode converge-t-elle ? À quelle vitesse ?
  • e) Résumez les quatre modes d'échec en une phrase chacun, puis dites comment un programme sérieux s'en protège.

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Réponses

  • a) Tangente horizontale : division par zéro
  • b) x1=1x_{1}=1, x2=0x_{2}=0 : cycle
  • c) xn+1=2xnx_{n+1}=-2x_{n} : divergence
  • d) xn+1=xn+12x_{n+1}=\frac{x_{n}+1}{2} : convergence linéaire
  • e) Borner les tours, surveiller f|f|, basculer sur la bissection

a) La formule divise par f(xn)f'(x_{n}) : le calcul s'arrête sur une division par zéro. Géométriquement, la tangente est HORIZONTALE et ne coupe jamais l'axe. Exemple : f(x)=x21f(x)=x^{2}-1 avec x0=0x_{0}=0 donne f(0)=0f'(0)=0, la méthode est bloquée dès le premier tour alors que les racines ±1\pm 1 sont toutes proches.

b) f(0)=2f(0)=2 et f(x)=3x22f'(x)=3x^{2}-2, donc f(0)=2f'(0)=-2 et x1=022=1x_{1}=0-\frac{2}{-2}=1. Puis f(1)=12+2=1f(1)=1-2+2=1 et f(1)=1f'(1)=1, donc x2=111=0x_{2}=1-\frac{1}{1}=0. On est revenu au point de départ : la suite CYCLE entre 0 et 1 indéfiniment, sans jamais approcher la vraie racine, qui vaut environ 1,7693-1{,}7693. Les deux tangentes de la figure se renvoient la balle. Aucun test sur f(xn)f(x_{n}) ne détecte cela, seul un compteur d'itérations le fait.

c) f(x)=x1/3f(x)=x^{1/3} donne f(x)=13x2/3f'(x)=\frac{1}{3}x^{-2/3}, donc xn+1=xnxn1/313xn2/3=xn3xn=2xnx_{n+1}=x_{n}-\frac{x_{n}^{1/3}}{\frac{1}{3}x_{n}^{-2/3}}=x_{n}-3x_{n}=-2x_{n}. Partant de x0=1x_{0}=1 : 11, 2-2, 44, 8-8, 1616, la suite double en valeur absolue et change de signe à chaque tour. Elle DIVERGE, alors que la racine, x=0x=0, est le point de départ le plus naturel du monde. La raison est que la tangente est verticale en 0 : la courbe monte trop vite pour que sa tangente ramène vers la racine.

d) f(x)=2(x1)f'(x)=2(x-1), donc xn+1=xn(xn1)22(xn1)=xnxn12=xn+12x_{n+1}=x_{n}-\frac{(x_{n}-1)^{2}}{2(x_{n}-1)}=x_{n}-\frac{x_{n}-1}{2}=\frac{x_{n}+1}{2}. Partant de 2 : 1,51{,}5, 1,251{,}25, 1,1251{,}125, 1,06251{,}0625. La méthode converge bien vers 1, mais l'erreur n'est plus que DIVISÉE PAR DEUX à chaque tour : la convergence est devenue linéaire, exactement comme la bissection. C'est le comportement systématique sur une racine MULTIPLE, où ff et ff' s'annulent ensemble.

e) Un, la tangente est horizontale et la division est impossible. Deux, la suite cycle entre deux valeurs. Trois, la suite diverge, notamment quand la tangente est verticale près de la racine. Quatre, la convergence dégénère en linéaire sur une racine multiple. Protection : borner le nombre d'itérations, vérifier que f(xn)\left|f(x_{n})\right| diminue réellement, revenir à une bissection quand ce n'est pas le cas, et détecter les racines multiples en surveillant si ff' tend vers zéro en même temps que ff.

Exercice 5 : Newton contre bissection : choisir la méthode selon le problème

Aucune des deux méthodes ne domine l'autre. Ce que l'on choisit dépend de trois choses : dispose-t-on de la dérivée, dispose-t-on d'un bon point de départ, et faut-il une garantie ?

  • a) Dressez un tableau comparatif sur quatre critères : garantie de convergence, vitesse, information nécessaire, coût par itération.
  • b) On cherche la racine de f(x)=x3+3x5f(x)=x^{3}+3x-5 à 101010^{-10} près. Estimez le nombre d'itérations de chaque méthode depuis [1 ; 2][1\ ;\ 2].
  • c) Expliquez la stratégie HYBRIDE utilisée par les bibliothèques numériques, et pourquoi elle est meilleure que chacune des deux méthodes seule.
  • d) On veut résoudre cosx=x\cos x=x. Choisissez une méthode, justifiez, et donnez la solution à 10610^{-6} près.
  • e) Pourquoi une méthode numérique reste-t-elle nécessaire alors que les racines d'un polynôme de degré 3 admettent une formule exacte ?

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Réponses

  • a) Bissection sûre et lente ; Newton rapide sans garantie
  • b) 3434 itérations contre 55
  • c) Bissection puis Newton, avec encadrement conservé
  • d) 0,7390850{,}739085
  • e) Cardan fragile ; aucune formule au-delà du degré 4

a) GARANTIE : la bissection converge toujours si le signe change et si ff est continue ; Newton peut diverger, cycler ou changer de racine. VITESSE : linéaire de rapport 12\frac{1}{2} pour la bissection, quadratique pour Newton. INFORMATION : la bissection demande seulement un encadrement à signes opposés ; Newton demande ff' et un point de départ proche. COÛT PAR ITÉRATION : une évaluation de ff pour la bissection, une évaluation de ff ET une de ff' pour Newton, soit environ le double.

b) Bissection : la largeur initiale vaut 1, il faut 2n10102^{-n}\leq 10^{-10}, donc n10ln10ln233,2n\geq\frac{10\ln 10}{\ln 2}\approx 33{,}2, soit 34 itérations. Newton depuis x0=1x_{0}=1 : les erreurs successives sont d'environ 1,5×1011{,}5\times 10^{-1}, 1,2×1021{,}2\times 10^{-2}, 8×1058\times 10^{-5}, puis 3×1093\times 10^{-9} et enfin en dessous de 101610^{-16} : cinq itérations suffisent. Même en comptant deux évaluations par tour, Newton coûte environ dix évaluations contre trente-quatre.

c) On commence par quelques bissections pour amener l'itéré dans un voisinage sûr de la racine, puis on bascule sur Newton pour terminer. Si un pas de Newton sort de l'intervalle encadrant, ou si f\left|f\right| ne diminue pas, on rejette ce pas et l'on fait une bissection à la place. Le résultat cumule les deux avantages : on garde à tout instant un encadrement, donc la garantie de la bissection, ET la vitesse finale de Newton. C'est le principe des méthodes de Brent et de Dekker, présentes dans presque toutes les bibliothèques scientifiques.

d) L'équation s'écrit f(x)=cosxx=0f(x)=\cos x-x=0. On dispose de f(x)=sinx1f'(x)=-\sin x-1, facile à écrire, et f(0)=1>0f(0)=1>0 tandis que f(1)=cos110,4597<0f(1)=\cos 1-1\approx-0{,}4597<0 : on a donc à la fois la dérivée et un bon encadrement, Newton est le bon choix. Depuis x0=1x_{0}=1 : x1=0,7503639x_{1}=0{,}7503639, x2=0,7391129x_{2}=0{,}7391129, x3=0,7390851x_{3}=0{,}7390851. La solution est 0,7390850{,}739085 à 10610^{-6} près, le fameux nombre de Dottie, seul point fixe du cosinus.

e) Parce que la formule de Cardan, exacte, est en pratique inutilisable : elle fait intervenir des racines cubiques de nombres COMPLEXES même lorsque les trois racines sont réelles, elle perd de la précision par annulations catastrophiques en arithmétique flottante, et elle n'existe tout simplement pas au delà du degré 4, théorème d'Abel. Newton, lui, ne demande rien d'autre que de savoir évaluer ff et ff', donc il s'applique aussi bien à un polynôme de degré 30 qu'à cosxx\cos x-x. En calcul numérique, une méthode générale et convergente vaut presque toujours mieux qu'une formule fermée fragile.

Partie B : problèmes et raisonnement (/50)

Exercice 6 : La méthode de la sécante : Newton quand la dérivée manque

Il arrive qu'on sache évaluer ff sans disposer d'aucune formule pour ff' : une fonction issue d'une simulation, d'une table, d'un capteur. On remplace alors la tangente par la sécante passant par les deux derniers points.

  • a) Écrivez la formule de la sécante en remplaçant f(xn)f'(x_{n}) par le taux de variation entre xn1x_{n-1} et xnx_{n}.
  • b) Appliquez-la à f(x)=x22f(x)=x^{2}-2 avec x0=1x_{0}=1 et x1=2x_{1}=2, et calculez x2x_{2}, x3x_{3} et x4x_{4}.
  • c) La sécante converge à l'ordre φ=1+521,618\varphi=\frac{1+\sqrt{5}}{2}\approx 1{,}618 au lieu de 2. Pourquoi est-elle malgré tout souvent PLUS efficace que Newton, à coût égal ?
  • d) Quelle différence essentielle sépare la méthode de la sécante de celle de la fausse position, qui utilise elle aussi une sécante ?
  • e) Quel est le danger numérique de la formule de la sécante quand les itérés se rapprochent ?

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a)
b)
c)
d)
e)
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Réponses

  • a) xn+1=xnf(xn)xnxn1f(xn)f(xn1)x_{n+1}=x_{n}-f(x_{n})\frac{x_{n}-x_{n-1}}{f(x_{n})-f(x_{n-1})}
  • b) 1,333331{,}33333 ; 1,41{,}4 ; 1,414631{,}41463
  • c) Une évaluation par tour : φ22,618>2\varphi^{2}\approx 2{,}618>2
  • d) La fausse position garde un encadrement
  • e) Annulation catastrophique au dénominateur

a) On remplace f(xn)f'(x_{n}) par f(xn)f(xn1)xnxn1\frac{f(x_{n})-f(x_{n-1})}{x_{n}-x_{n-1}}, ce qui donne xn+1=xnf(xn)xnxn1f(xn)f(xn1)x_{n+1}=x_{n}-f(x_{n})\cdot\frac{x_{n}-x_{n-1}}{f(x_{n})-f(x_{n-1})}. Géométriquement, on trace la droite passant par les deux derniers points de la courbe et l'on prend son intersection avec l'axe. Il faut donc DEUX points de départ, contre un seul pour Newton.

b) f(1)=1f(1)=-1 et f(2)=2f(2)=2. x2=22×212(1)=223=1,3333333x_{2}=2-2\times\frac{2-1}{2-(-1)}=2-\frac{2}{3}=1{,}3333333. Puis f(x2)=0,2222222f(x_{2})=-0{,}2222222, donc x3=1,3333333(0,2222222)×1,333333320,22222222=1,3333333+0,0666667=1,4x_{3}=1{,}3333333-(-0{,}2222222)\times\frac{1{,}3333333-2}{-0{,}2222222-2}=1{,}3333333+0{,}0666667=1{,}4. Enfin f(1,4)=0,04f(1{,}4)=-0{,}04 et x4=1,4+0,04×1,41,33333330,04+0,2222222=1,4146341x_{4}=1{,}4+0{,}04\times\frac{1{,}4-1{,}3333333}{-0{,}04+0{,}2222222}=1{,}4146341. On approche 2=1,4142136\sqrt{2}=1{,}4142136 sans avoir jamais dérivé.

c) Parce qu'elle ne coûte qu'UNE évaluation de fonction par itération, contre deux pour Newton, qui doit évaluer ff et ff'. À budget égal de 2n2n évaluations, la sécante fait 2n2n tours et gagne un facteur φ2n\varphi^{2n} sur l'exposant, tandis que Newton fait nn tours et gagne 2n2^{n}. Comme φ22,618>2\varphi^{2}\approx 2{,}618>2, la sécante est la plus rapide dès que l'évaluation de ff' coûte à peu près autant que celle de ff, ce qui est le cas courant.

d) La fausse position CONSERVE un encadrement : elle choisit toujours les deux points de sorte que ff y soit de signes opposés, et elle est donc garantie comme la bissection. La sécante, elle, garde simplement les deux derniers itérés, sans se soucier des signes : elle est plus rapide mais elle peut diverger. C'est le même arbitrage garantie contre vitesse que celui de l'exercice 5, à un niveau de raffinement supérieur.

e) Quand xnx_{n} et xn1x_{n-1} se rapprochent, le dénominateur f(xn)f(xn1)f(x_{n})-f(x_{n-1}) est une différence de deux nombres presque égaux : c'est une ANNULATION CATASTROPHIQUE, qui détruit les chiffres significatifs en arithmétique flottante. Le quotient devient bruité juste au moment où l'on voudrait de la précision. En pratique, on arrête la méthode dès que cet écart passe sous un seuil, plutôt que de continuer à itérer sur du bruit numérique.

Exercice 7 : Le point fixe : la même équation, deux réécritures, deux destins

Résoudre f(x)=0f(x)=0 revient toujours à écrire x=g(x)x=g(x) et à itérer xn+1=g(xn)x_{n+1}=g(x_{n}). Mais la réécriture n'est pas unique, et le choix décide de tout : le même problème peut converger ou exploser selon la forme retenue.

0.911.11.21.31.40.911.11.21.31.4y = xpoint fixe : 1,15417
  • a) Montrez que x3+3x5=0x^{3}+3x-5=0 équivaut à x=5x33x=\frac{5-x^{3}}{3} et aussi à x=(53x)1/3x=\left(5-3x\right)^{1/3}.
  • b) Le critère de convergence est g(r)<1\left|g'(r)\right|<1 au voisinage du point fixe r1,15417r\approx 1{,}15417. Testez-le sur les deux réécritures.
  • c) Itérez la première réécriture depuis x0=1x_{0}=1 sur quatre tours et constatez ce qui se passe.
  • d) Itérez la seconde depuis x0=1x_{0}=1 sur quatre tours, et retrouvez la spirale de la figure.
  • e) Montrez que la méthode de Newton est un cas particulier de point fixe, et calculez g(r)g'(r) dans ce cas. Que cela explique-t-il ?

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Réponses

  • a) x=5x33x=\frac{5-x^{3}}{3} et x=(53x)1/3x=(5-3x)^{1/3}
  • b) 1,332>11{,}332>1 et 0,751<10{,}751<1
  • c) 1,3331{,}333 ; 0,8770{,}877 ; 1,4421{,}442 ; 0,6670{,}667 : divergence
  • d) 1,2601{,}260 ; 1,0691{,}069 ; 1,2151{,}215 ; 1,1061{,}106 : spirale
  • e) g(r)=0g'(r)=0 : convergence quadratique

a) De x3+3x5=0x^{3}+3x-5=0 on tire 3x=5x33x=5-x^{3}, donc x=5x33x=\frac{5-x^{3}}{3}. Ou bien x3=53xx^{3}=5-3x, donc x=(53x)1/3x=\left(5-3x\right)^{1/3}. Les deux équations ont exactement les mêmes solutions que l'équation de départ : ce sont des réécritures, pas des approximations.

b) Première : g1(x)=5x33g_{1}(x)=\frac{5-x^{3}}{3} donne g1(x)=x2g_{1}'(x)=-x^{2}, donc g1(r)=r21,3322>1\left|g_{1}'(r)\right|=r^{2}\approx 1{,}3322>1. Le critère ÉCHOUE, on prévoit la divergence. Seconde : g2(x)=(53x)1/3g_{2}(x)=\left(5-3x\right)^{1/3} donne g2(x)=13(53x)2/3×(3)=(53x)2/3g_{2}'(x)=\frac{1}{3}\left(5-3x\right)^{-2/3}\times(-3)=-\left(5-3x\right)^{-2/3}. En rr : 53r1,537485-3r\approx 1{,}53748, dont la puissance 23\frac{2}{3} vaut environ 1,332111{,}33211, donc g2(r)0,75069<1\left|g_{2}'(r)\right|\approx 0{,}75069<1. Le critère est SATISFAIT, on prévoit la convergence.

c) x1=513=1,333333x_{1}=\frac{5-1}{3}=1{,}333333 ; x2=52,3703703=0,876543x_{2}=\frac{5-2{,}370370}{3}=0{,}876543 ; x3=50,6734723=1,442176x_{3}=\frac{5-0{,}673472}{3}=1{,}442176 ; x4=53,0004723=0,666820x_{4}=\frac{5-3{,}000472}{3}=0{,}666820. Les valeurs s'écartent de plus en plus de la racine, en oscillant : la suite DIVERGE, exactement comme le critère l'annonçait. Une réécriture parfaitement correcte algébriquement peut donc être inutilisable numériquement.

d) x1=21/3=1,259921x_{1}=2^{1/3}=1{,}259921 ; x2=(53,779763)1/3=1,068599x_{2}=\left(5-3{,}779763\right)^{1/3}=1{,}068599 ; x3=(53,205797)1/3=1,215133x_{3}=\left(5-3{,}205797\right)^{1/3}=1{,}215133 ; x4=(53,645399)1/3=1,106463x_{4}=\left(5-3{,}645399\right)^{1/3}=1{,}106463. Les itérés encadrent la racine en se resserrant, chaque écart valant environ 0,750{,}75 fois le précédent : c'est la spirale de la figure, la signature d'un gg' NÉGATIF de module inférieur à 1. Avec un gg' positif on obtiendrait un escalier au lieu d'une spirale.

e) Newton s'écrit xn+1=g(xn)x_{n+1}=g(x_{n}) avec g(x)=xf(x)f(x)g(x)=x-\frac{f(x)}{f'(x)}. En dérivant : g(x)=1f(x)2f(x)f(x)f(x)2=f(x)f(x)f(x)2g'(x)=1-\frac{f'(x)^{2}-f(x)f''(x)}{f'(x)^{2}}=\frac{f(x)f''(x)}{f'(x)^{2}}. Au point fixe rr, on a f(r)=0f(r)=0, donc g(r)=0g'(r)=0. Voilà l'explication profonde de la convergence quadratique : Newton est le choix de gg qui annule non seulement l'écart mais aussi sa DÉRIVÉE, ce qui fait disparaître le terme linéaire de l'erreur et laisse le terme quadratique. Toutes les méthodes de point fixe ordinaires ont g(r)0g'(r)\neq 0 et sont donc seulement linéaires.

Exercice 8 : Cinq affirmations à corriger

Chacune des cinq affirmations suivantes est FAUSSE. Dites pourquoi et donnez l'énoncé correct.

  • 1) « La méthode de Newton converge toujours, puisque la tangente approche la courbe. »
  • 2) « La bissection et Newton donnent la racine exacte au bout d'un nombre fini d'étapes. »
  • 3) « Puisque Newton double les décimales, il vaut toujours mieux que la bissection. »
  • 4) « Si xn+1x_{n+1} et xnx_{n} diffèrent de moins de 10810^{-8}, alors l'erreur sur la racine est inférieure à 10810^{-8}. »
  • 5) « Toute réécriture x=g(x)x=g(x) de l'équation f(x)=0f(x)=0 donne un algorithme utilisable. »

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  • 1) Convergence locale seulement
  • 2) Méthodes itératives : une suite
  • 3) Racine multiple : Newton linéaire
  • 4) Erreur k1kxn+1xn\approx\frac{k}{1-k}|x_{n+1}-x_{n}|
  • 5) Il faut g(r)<1|g'(r)|<1

1) FAUX. La tangente approche la courbe AU VOISINAGE du point de contact, et rien ne garantit que ce voisinage contienne la racine. Quatre échecs sont classiques : division par zéro si f(xn)=0f'(x_{n})=0, cycle comme sur x32x+2x^{3}-2x+2 partant de 0, divergence comme sur x1/3x^{1/3} où l'on obtient xn+1=2xnx_{n+1}=-2x_{n}, et convergence vers une racine différente de celle qu'on visait. La convergence n'est garantie que localement, pour un point de départ assez proche.

2) FAUX pour les deux. Ce sont des méthodes ITÉRATIVES : elles produisent une suite qui tend vers la racine, elles ne l'atteignent pas. En arithmétique exacte, la suite est infinie ; en arithmétique flottante, elle finit par stagner sur la meilleure valeur représentable, ce qui n'est pas la même chose qu'être exacte. Le seul cas d'arrêt fini est fortuit, quand un itéré tombe pile sur la racine, ce qui n'arrive qu'avec des racines représentables exactement.

3) FAUX. Newton exige la dérivée, un point de départ raisonnable, et il n'offre aucune garantie ; la bissection n'exige qu'un changement de signe et elle ne rate jamais. Sur une racine MULTIPLE, Newton dégénère d'ailleurs en convergence linéaire de rapport 12\frac{1}{2}, exactement la vitesse de la bissection, tout en coûtant deux évaluations par tour au lieu d'une : il est alors deux fois plus lent. La bonne réponse est la stratégie hybride, pas le choix d'un camp.

4) FAUX en général, vrai seulement pour une méthode à convergence rapide. Pour une méthode LINÉAIRE de rapport kk proche de 1, l'erreur restante vaut environ k1kxn+1xn\frac{k}{1-k}\left|x_{n+1}-x_{n}\right|, qui peut être des dizaines de fois plus grande que l'écart observé : avec k=0,99k=0{,}99 le facteur vaut 99. Pour Newton, dont la convergence est quadratique, l'écart entre itérés est effectivement une bonne estimation de l'erreur, et c'est un privilège de la méthode, pas une règle générale.

5) FAUX. La réécriture doit vérifier g(r)<1\left|g'(r)\right|<1 au voisinage du point fixe, sans quoi la suite diverge. Sur x3+3x5=0x^{3}+3x-5=0, la forme x=5x33x=\frac{5-x^{3}}{3} donne g(r)1,33>1\left|g'(r)\right|\approx 1{,}33>1 et diverge, tandis que x=(53x)1/3x=\left(5-3x\right)^{1/3} donne 0,75<1\approx 0{,}75<1 et converge. Les deux réécritures sont algébriquement irréprochables : c'est la dérivée de gg, pas l'algèbre, qui décide.

Exercice 9 : Problème : comment un processeur calcule une racine

Un processeur ne connaît que l'addition et la multiplication. Il n'a ni touche racine carrée ni même division rapide : tout le reste est fabriqué par des itérations de Newton, choisies pour n'utiliser que ces deux opérations.

  • a) On veut calculer 1a\frac{1}{a} SANS diviser. Appliquez Newton à f(x)=1xaf(x)=\frac{1}{x}-a et montrez que l'itération devient xn+1=xn(2axn)x_{n+1}=x_{n}\left(2-ax_{n}\right), qui n'utilise que des multiplications et une soustraction.
  • b) Calculez 13\frac{1}{3} par cette méthode en partant de x0=0,3x_{0}=0{,}3, sur trois itérations.
  • c) Montrez que l'erreur relative se met au carré à chaque tour, en posant en=1axne_{n}=1-ax_{n}.
  • d) Construisez de même l'itération de Newton pour la racine cubique de aa, et calculez 73\sqrt[3]{7} en partant de x0=2x_{0}=2, sur trois itérations.
  • e) Pourquoi un processeur préfère-t-il cette approche à une table de valeurs stockée en mémoire ?

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  • a) xn+1=xn(2axn)x_{n+1}=x_{n}(2-ax_{n})
  • b) 0,330{,}33 ; 0,33330{,}3333 ; 0,333333330{,}33333333
  • c) en+1=en2e_{n+1}=e_{n}^{2}
  • d) 1,91666671{,}9166667 ; 1,91293851{,}9129385 ; 1,91293121{,}9129312
  • e) Petite table et précision doublée à chaque tour

a) f(x)=1xaf(x)=\frac{1}{x}-a a pour dérivée f(x)=1x2f'(x)=-\frac{1}{x^{2}}. Donc xn+1=xn1xna1xn2=xn+xn2(1xna)=xn+xnaxn2=xn(2axn)x_{n+1}=x_{n}-\frac{\frac{1}{x_{n}}-a}{-\frac{1}{x_{n}^{2}}}=x_{n}+x_{n}^{2}\left(\frac{1}{x_{n}}-a\right)=x_{n}+x_{n}-ax_{n}^{2}=x_{n}\left(2-ax_{n}\right). Le miracle est que la division du quotient de Newton s'est simplifiée : la formule finale ne contient que deux multiplications et une soustraction, exactement ce qu'un circuit sait faire vite.

b) Avec a=3a=3 et x0=0,3x_{0}=0{,}3 : x1=0,3(20,9)=0,33x_{1}=0{,}3\left(2-0{,}9\right)=0{,}33 ; x2=0,33(20,99)=0,3333x_{2}=0{,}33\left(2-0{,}99\right)=0{,}3333 ; x3=0,3333(20,9999)=0,33333333x_{3}=0{,}3333\left(2-0{,}9999\right)=0{,}33333333. On voit littéralement le nombre de 3 exacts doubler à chaque ligne : 2, puis 4, puis 8. Trois multiplications suffisent pour huit décimales.

c) Posons en=1axne_{n}=1-ax_{n}, l'erreur relative comptée par rapport à la valeur cherchée. Alors en+1=1axn+1=1axn(2axn)=12axn+a2xn2=(1axn)2=en2e_{n+1}=1-ax_{n+1}=1-ax_{n}\left(2-ax_{n}\right)=1-2ax_{n}+a^{2}x_{n}^{2}=\left(1-ax_{n}\right)^{2}=e_{n}^{2}. L'identité est EXACTE, sans terme négligé : c'est un carré parfait, comme dans la formule babylonienne de l'exercice 3. Avec e0=10,9=0,1e_{0}=1-0{,}9=0{,}1, on obtient e1=0,01e_{1}=0{,}01, e2=104e_{2}=10^{-4}, e3=108e_{3}=10^{-8}, ce que les valeurs de la question b confirment chiffre pour chiffre.

d) On prend f(x)=x3af(x)=x^{3}-a, donc f(x)=3x2f'(x)=3x^{2} et xn+1=xnxn3a3xn2=2xn3+a3xn2=13(2xn+axn2)x_{n+1}=x_{n}-\frac{x_{n}^{3}-a}{3x_{n}^{2}}=\frac{2x_{n}^{3}+a}{3x_{n}^{2}}=\frac{1}{3}\left(2x_{n}+\frac{a}{x_{n}^{2}}\right). C'est encore une moyenne pondérée, avec deux poids pour xnx_{n} et un pour axn2\frac{a}{x_{n}^{2}}. Avec a=7a=7 et x0=2x_{0}=2 : x1=13(4+1,75)=1,9166667x_{1}=\frac{1}{3}\left(4+1{,}75\right)=1{,}9166667 ; x2=13(3,8333333+1,9054820)=1,9129385x_{2}=\frac{1}{3}\left(3{,}8333333+1{,}9054820\right)=1{,}9129385 ; x3=1,9129312x_{3}=1{,}9129312. La valeur exacte est 1,91293121{,}9129312 : sept décimales en trois tours.

e) Une table donnerait une précision fixe, occuperait de la mémoire proportionnelle à cette précision, et ne s'adapterait pas aux différents formats de nombres flottants. L'itération de Newton, elle, part d'une estimation grossière lue dans une TOUTE PETITE table, souvent huit bits, puis double la précision à chaque tour : deux itérations suffisent pour la simple précision, trois pour la double. La mémoire nécessaire ne dépend donc pas de la précision voulue, et le même circuit sert pour tous les formats. C'est le meilleur argument commercial jamais donné en faveur de la convergence quadratique.

Exercice 10 : Problème : le taux de rendement interne d'un placement

Une équation financière parfaitement banale, celle qui décide si un investissement vaut la peine, n'admet aucune solution par formule dès que le projet dure plus de quatre ans. C'est un usage quotidien de la méthode de Newton, en dehors des sciences.

0.020.040.060.080.10.120.140.160.180.2-200-150-100-5050100150200250VAN (dollars)taux rTRI : la VAN change de signevers r = 9,70 pour cent
  • a) On investit 1000 dollars et l'on reçoit 400 dollars par an pendant trois ans. La valeur actuelle nette au taux rr s'écrit V(r)=1000+4001+r+400(1+r)2+400(1+r)3V(r)=-1000+\frac{400}{1+r}+\frac{400}{(1+r)^{2}}+\frac{400}{(1+r)^{3}}. Calculez V(0)V(0) et V(0,10)V(0{,}10), et concluez sur l'existence d'un taux de rendement interne.
  • b) Calculez V(r)V'(r), puis effectuez une itération de Newton depuis r0=0,10r_{0}=0{,}10.
  • c) Effectuez une seconde itération et donnez le taux de rendement interne à 10410^{-4} près.
  • d) Montrez que VV est strictement décroissante sur ]1 ; +[\left]-1\ ;\ +\infty\right[, et déduisez-en l'unicité du taux.
  • e) La banque propose un placement garanti à 7 pour cent. Que décide-t-on, et sous quelle réserve ?

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a)
b)
c)
d)
e)
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Réponses

  • a) V(0)=200V(0)=200, V(0,10)5,26V(0{,}10)\approx-5{,}26
  • b) V(0,10)1751,25V'(0{,}10)\approx-1751{,}25 ; r10,096997r_{1}\approx 0{,}096997
  • c) 9,709{,}70 %
  • d) V<0V'<0 : taux unique
  • e) VAN à 7 % 49,7\approx 49{,}7 dollars : accepter, sous réserve

a) V(0)=1000+400+400+400=200V(0)=-1000+400+400+400=200 dollars, positif. V(0,10)=1000+400(0,909091+0,826446+0,751315)=1000+400×2,486852=5,26V(0{,}10)=-1000+400\left(0{,}909091+0{,}826446+0{,}751315\right)=-1000+400\times 2{,}486852=-5{,}26 dollars, négatif. La fonction VV est continue sur ]1 ; +[\left]-1\ ;\ +\infty\right[ et change de signe entre 0 et 0,100{,}10 : le théorème des valeurs intermédiaires garantit l'existence d'un taux annulant VV, c'est le taux de rendement interne. Sur la figure, c'est le point où la courbe traverse l'axe.

b) V(r)=400[1(1+r)2+2(1+r)3+3(1+r)4]V'(r)=-400\left[\frac{1}{(1+r)^{2}}+\frac{2}{(1+r)^{3}}+\frac{3}{(1+r)^{4}}\right], chaque terme provenant de la dérivation de (1+r)k(1+r)^{-k}, qui donne k(1+r)k1-k(1+r)^{-k-1}. En r=0,10r=0{,}10 : les trois crochets valent 0,8264460{,}826446, 1,5026301{,}502630 et 2,0490402{,}049040, de somme 4,3781164{,}378116, donc V(0,10)=1751,25V'(0{,}10)=-1751{,}25. Newton : r1=0,105,261751,25=0,100,003003=0,096997r_{1}=0{,}10-\frac{-5{,}26}{-1751{,}25}=0{,}10-0{,}003003=0{,}096997.

c) En r1=0,096997r_{1}=0{,}096997 : V(r1)0,0236V(r_{1})\approx 0{,}0236 dollar, déjà presque nul, et V(r1)1767,0V'(r_{1})\approx-1767{,}0. Donc r2=0,096997+0,0000134=0,097010r_{2}=0{,}096997+0{,}0000134=0{,}097010. Le taux de rendement interne vaut donc 0,09700{,}0970, soit 9,709{,}70 pour cent à 10410^{-4} près. Une seule itération avait déjà donné trois décimales justes : la fonction est très régulière, cas favorable à Newton.

d) Chacun des trois termes 400(1+r)k\frac{400}{(1+r)^{k}} est strictement décroissant sur ]1 ; +[\left]-1\ ;\ +\infty\right[, puisque le dénominateur y est positif et croissant. Leur somme l'est donc aussi, et l'ajout de la constante 1000-1000 ne change rien. Formellement, V(r)V'(r) est une somme de trois termes strictement négatifs, donc V<0V'<0 partout. Une fonction strictement décroissante prend chaque valeur au plus une fois : le taux de rendement interne est donc UNIQUE. C'est le raisonnement de l'exercice 7 de la série sur les théorèmes des valeurs moyennes, existence puis unicité, appliqué ici à la finance.

e) On accepte le projet : son rendement interne de 9,709{,}70 pour cent dépasse les 7 pour cent garantis, donc la valeur actuelle nette au taux de 7 pour cent est positive, environ 49,749{,}7 dollars. Réserve importante : le taux de rendement interne suppose que les flux reçus sont RÉINVESTIS au même taux, hypothèse rarement vraie. Il ignore aussi la taille du projet et le risque, alors que le placement bancaire est garanti. La bonne pratique est de comparer les valeurs actuelles nettes au taux d'actualisation réel plutôt que les taux internes entre eux, et le calcul de Newton reste utile dans les deux cas.

Partie C : les classiques (/50)

Exercice 11 : Newton contre le point fixe sur l'équation x = e puissance moins x

L'équation x=exx=e^{-x} a une unique solution réelle rr, que l'on veut calculer de deux façons.

  • a) Montrez que f(x)=xexf(x)=x-e^{-x} est strictement croissante et qu'elle s'annule une seule fois dans [0;1][0\,;1].
  • b) Écrivez l'itération de Newton pour ff et calculez x1x_{1} et x2x_{2} depuis x0=0,5x_{0}=0{,}5, à six décimales.
  • c) Itérez le point fixe xn+1=exnx_{n+1}=e^{-x_{n}} depuis x0=0,5x_{0}=0{,}5 sur trois tours. La suite converge-t-elle, et comment ?
  • d) Calculez g(r)|g'(r)| pour g(x)=exg(x)=e^{-x} et expliquez la vitesse observée en c).
  • e) Combien de tours de point fixe faudrait-il environ pour gagner six décimales, contre combien pour Newton ?

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Réponses

  • a) f=1+ex>0f'=1+e^{-x}>0 ; racine dans ]0,1[]0,1[
  • b) 0,5663110{,}566311 puis 0,5671430{,}567143
  • c) 0,6065310{,}606531 ; 0,5452390{,}545239 ; 0,5797030{,}579703 : oscillation lente
  • d) g(r)=r0,567|g'(r)|=r\approx 0{,}567
  • e) Environ 2424 tours contre 22

a) f(x)=1+ex>0f'(x)=1+e^{-x}>0 : ff est strictement croissante, donc s'annule au plus une fois. f(0)=1<0f(0)=-1<0 et f(1)=1e10,632>0f(1)=1-e^{-1}\approx 0{,}632>0 : par les valeurs intermédiaires, exactement une racine dans ]0;1[]0\,;1[.

b) xn+1=xnxnexn1+exnx_{n+1}=x_{n}-\frac{x_{n}-e^{-x_{n}}}{1+e^{-x_{n}}}. Depuis 0,50{,}5 : f(0,5)0,106531f(0{,}5)\approx-0{,}106531, f(0,5)1,606531f'(0{,}5)\approx 1{,}606531, donc x10,566311x_{1}\approx 0{,}566311. Puis x20,567143x_{2}\approx 0{,}567143. La valeur exacte est r0,5671433r\approx 0{,}5671433 : six décimales en deux tours.

c) x1=e0,50,606531x_{1}=e^{-0{,}5}\approx 0{,}606531 ; x2=e0,6065310,545239x_{2}=e^{-0{,}606531}\approx 0{,}545239 ; x30,579703x_{3}\approx 0{,}579703. La suite converge en oscillant autour de rr, les itérés passant alternativement au-dessus et au-dessous, mais lentement : après trois tours, l'erreur vaut encore 0,0130{,}013.

d) g(x)=exg'(x)=-e^{-x}, donc g(r)=er=r0,567<1|g'(r)|=e^{-r}=r\approx 0{,}567<1 : convergence linéaire, chaque tour multipliant l'erreur par environ 0,567-0{,}567. Le signe négatif produit l'oscillation.

e) Six décimales demandent de diviser l'erreur par environ 10610^{6}, soit nn tours avec 0,567n1060{,}567^{n}\approx 10^{-6}, donc n6ln10ln0,56724n\approx\frac{6\ln 10}{-\ln 0{,}567}\approx 24 tours. Newton en a fait deux. Le point fixe ne demande pourtant qu'une exponentielle par tour : sa simplicité se paie en temps.

Exercice 12 : Chercher un minimum par Newton : résoudre f′(x) = 0

Pour localiser un extremum sans formule, on applique la méthode de Newton non pas à ff, mais à sa dérivée. On étudie f(x)=x43x+1f(x)=x^{4}-3x+1.

  • a) Montrez que ff admet un unique nombre critique et que c'est un minimum.
  • b) Écrivez l'itération de Newton appliquée à ff', en fonction de ff' et de ff''.
  • c) Calculez x1x_{1}, x2x_{2} et x3x_{3} depuis x0=1x_{0}=1, et comparez à la valeur exacte du nombre critique.
  • d) Donnez la valeur du minimum de ff au millième.
  • e) Pourquoi cette méthode échouerait-elle en un point où ff'' s'annule ? Donnez un tel point pour ff.

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Réponses

  • a) x=0,753x=\sqrt[3]{0{,}75} : minimum
  • b) xn+1=xnf(xn)f(xn)x_{n+1}=x_{n}-\frac{f'(x_{n})}{f''(x_{n})}
  • c) 0,9166670{,}916667 ; 0,9086320{,}908632 ; 0,9085600{,}908560
  • d) 1,044\approx-1{,}044
  • e) f(0)=0f''(0)=0 : division impossible

a) f(x)=4x33f'(x)=4x^{3}-3, nulle pour x3=34x^{3}=\frac{3}{4}, soit x=0,753x=\sqrt[3]{0{,}75}, unique puisque xx3x\mapsto x^{3} est injective. f<0f'<0 avant, f>0f'>0 après : minimum, absolu puisque ff décroît puis croît sur R\mathbb{R}.

b) On cherche un zéro de ff', dont la dérivée est ff'' : xn+1=xnf(xn)f(xn)=xn4xn3312xn2x_{n+1}=x_{n}-\frac{f'(x_{n})}{f''(x_{n})}=x_{n}-\frac{4x_{n}^{3}-3}{12x_{n}^{2}}. Géométriquement, on remplace ff par sa parabole osculatrice et l'on saute à son sommet.

c) x1=11120,916667x_{1}=1-\frac{1}{12}\approx 0{,}916667 ; x20,9166670,08101910,0833330,908632x_{2}\approx 0{,}916667-\frac{0{,}081019}{10{,}083333}\approx 0{,}908632 ; x30,908560x_{3}\approx 0{,}908560. Valeur exacte : 0,7530,9085603\sqrt[3]{0{,}75}\approx 0{,}9085603. Six décimales en trois tours.

d) f(0,908560)0,6814192,725680+11,044f(0{,}908560)\approx 0{,}681419-2{,}725680+1\approx-1{,}044.

e) La formule divise par f(xn)=12xn2f''(x_{n})=12x_{n}^{2}, nulle en x=0x=0 : partir de x0=0x_{0}=0 bloque la méthode. En un point d'inflexion, la parabole approchante dégénère en droite et n'a plus de sommet. Plus généralement, la méthode ne distingue pas un minimum d'un maximum : elle trouve un zéro de ff', et c'est le signe de ff'' qui dit lequel.

Exercice 13 : Balayer, puis bissecter : trouver toutes les racines d'un polynôme

Avant de lancer une méthode, il faut savoir combien de racines chercher et où. On étudie p(x)=x34x+1p(x)=x^{3}-4x+1, dont la figure montre le graphe.

-3-2-1123-15-10-551015p(x) = x³ − 4x + 1
  • a) Calculez p(k)p(k) pour les entiers kk de 3-3 à 33 et repérez les changements de signe.
  • b) Combien de racines réelles pp admet-il ? Justifiez qu'il n'y en a pas d'autres.
  • c) Effectuez trois bissections sur [0;1][0\,;1] et donnez l'encadrement obtenu.
  • d) Combien d'itérations de bissection faut-il, depuis un intervalle de largeur 11, pour une largeur inférieure à 10410^{-4} ?
  • e) Les trois racines valent environ 2,1149-2{,}1149, 0,25410{,}2541 et 1,86081{,}8608. Vérifiez que leur somme vaut 00 et expliquez pourquoi.

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Réponses

  • a) Changements de signe dans ]3,2[]-3,-2[, ]0,1[]0,1[, ]1,2[]1,2[
  • b) Trois racines exactement
  • c) [0,25;0,375][0{,}25\,;0{,}375]
  • d) 1414 itérations
  • e) Coefficient de x2x^{2} nul : somme nulle

a) p(3)=14p(-3)=-14, p(2)=1p(-2)=1, p(1)=4p(-1)=4, p(0)=1p(0)=1, p(1)=2p(1)=-2, p(2)=1p(2)=1, p(3)=16p(3)=16. Changements de signe entre 3-3 et 2-2, entre 00 et 11, entre 11 et 22.

b) Trois changements de signe donnent au moins trois racines, par les valeurs intermédiaires, et un polynôme de degré 33 en a au plus trois : exactement trois. Le balayage aurait pu en manquer deux, proches entre deux entiers de même signe ; c'est l'argument du degré qui garantit qu'il n'en reste aucune.

c) p(0,5)=0,875<0p(0{,}5)=-0{,}875<0 : on garde [0;0,5][0\,;0{,}5]. p(0,25)=0,015625>0p(0{,}25)=0{,}015625>0 : on garde [0,25;0,5][0{,}25\,;0{,}5]. p(0,375)0,447<0p(0{,}375)\approx-0{,}447<0 : on garde [0,25;0,375][0{,}25\,;0{,}375], de largeur 0,1250{,}125.

d) 2n<1042^{-n}<10^{-4} demande n>4ln10ln213,3n>\frac{4\ln 10}{\ln 2}\approx 13{,}3, soit 1414 itérations, quel que soit le polynôme.

e) 2,1149+0,2541+1,8608=0-2{,}1149+0{,}2541+1{,}8608=0. Si p(x)=(xr1)(xr2)(xr3)p(x)=(x-r_{1})(x-r_{2})(x-r_{3}), le coefficient de x2x^{2} vaut (r1+r2+r3)-(r_{1}+r_{2}+r_{3}) ; il est nul dans pp, donc la somme des racines est nulle. C'est un contrôle gratuit des résultats numériques.

Exercice 14 : Problème : la flèche d'une ligne électrique et l'équation de la chaînette

Un câble suspendu entre deux pylônes de même hauteur, distants de 100100 m, prend la forme y=a(coshxa1)y=a\left(\cosh\frac{x}{a}-1\right), l'origine étant au point le plus bas. Sa flèche, la hauteur des points d'attache au-dessus du point bas, vaut 1010 m. Il faut trouver le paramètre aa.

portée 100 m10 m
  • a) Montrez que aa vérifie h(a)=a(cosh50a1)10=0h(a)=a\left(\cosh\frac{50}{a}-1\right)-10=0, et calculez h(100)h(100) et h(150)h(150).
  • b) Calculez h(a)h'(a).
  • c) Effectuez deux itérations de Newton depuis a0=100a_{0}=100.
  • d) Donnez aa au centième, puis la longueur du câble, 2asinh50a2a\sinh\frac{50}{a}, au centième.
  • e) Pourquoi aucune manipulation algébrique ne permet-elle d'isoler aa ?

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Réponses

  • a) h(100)2,763h(100)\approx 2{,}763, h(150)1,589h(150)\approx-1{,}589
  • b) h(a)=cosh50a150asinh50ah'(a)=\cosh\frac{50}{a}-1-\frac{50}{a}\sinh\frac{50}{a}
  • c) a1120,78a_{1}\approx 120{,}78, a2126,35a_{2}\approx 126{,}35
  • d) a126,63a\approx 126{,}63 m ; câble de 102,62102{,}62 m
  • e) aa devant et dans le cosinus hyperbolique

a) Aux points d'attache x=±50x=\pm 50, la hauteur vaut 1010 : a(cosh50a1)=10a\left(\cosh\frac{50}{a}-1\right)=10. h(100)2,763>0h(100)\approx 2{,}763>0 et h(150)1,589<0h(150)\approx-1{,}589<0 : une racine entre 100100 et 150150.

b) Produit : h(a)=cosh50a1+asinh50a(50a2)=cosh50a150asinh50ah'(a)=\cosh\frac{50}{a}-1+a\sinh\frac{50}{a}\cdot\left(-\frac{50}{a^{2}}\right)=\cosh\frac{50}{a}-1-\frac{50}{a}\sinh\frac{50}{a}.

c) En a0=100a_{0}=100 : h(100)=cosh0,510,5sinh0,50,127630,26055=0,13292h'(100)=\cosh 0{,}5-1-0{,}5\sinh 0{,}5\approx 0{,}12763-0{,}26055=-0{,}13292. a1=1002,76260,13292120,78a_{1}=100-\frac{2{,}7626}{-0{,}13292}\approx 120{,}78. Puis a2126,35a_{2}\approx 126{,}35.

d) Deux tours de plus donnent a126,63a\approx 126{,}63 m, stable au centième. Longueur : 2×126,63×sinh50126,63102,622\times 126{,}63\times\sinh\frac{50}{126{,}63}\approx 102{,}62 m. Le câble ne mesure que 2,62{,}6 pour cent de plus que la portée, pour une flèche de 1010 m.

e) aa apparaît à la fois devant le cosinus hyperbolique et dans son argument : l'équation mélange une fonction exponentielle de 1a\frac{1}{a} et un polynôme en aa. Comme pour x=exx=e^{-x}, aucune combinaison de fonctions usuelles n'isole l'inconnue : seule une méthode numérique donne la valeur.

Exercice 15 : Problème : l'équation de Kepler et la position d'une planète

Sur une orbite elliptique d'excentricité ee, la position d'une planète au temps tt se déduit de l'anomalie excentrique EE, solution de l'équation de Kepler EesinE=ME-e\sin E=M, où MM est proportionnel au temps. On prend e=0,2e=0{,}2 et M=1M=1 radian.

  • a) Montrez que F(E)=E0,2sinE1F(E)=E-0{,}2\sin E-1 est strictement croissante et n'a qu'une racine.
  • b) Écrivez l'itération de Newton et calculez E1E_{1} et E2E_{2} depuis E0=1E_{0}=1, à six décimales.
  • c) Kepler lui-même itérait En+1=M+esinEnE_{n+1}=M+e\sin E_{n}. Calculez trois tours depuis E0=1E_{0}=1 et comparez.
  • d) Pourquoi l'itération de Kepler converge-t-elle, et d'autant plus vite que l'orbite est proche d'un cercle ?
  • e) La distance au Soleil vaut r=a(1ecosE)r=a(1-e\cos E). Pour a=1a=1 unité astronomique, calculez rr au millième.

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  • a) F(E)0,8F'(E)\ge 0{,}8 : une seule racine
  • b) 1,1886831{,}188683 puis 1,1853251{,}185325
  • c) 1,1682941{,}168294 ; 1,1840171{,}184017 ; 1,1852261{,}185226
  • d) ge=0,2|g'|\le e=0{,}2
  • e) r0,925r\approx 0{,}925 UA

a) F(E)=10,2cosE0,8>0F'(E)=1-0{,}2\cos E\ge 0{,}8>0 : FF est strictement croissante, donc s'annule au plus une fois. F(0)=1<0F(0)=-1<0 et F(π)=π1>0F(\pi)=\pi-1>0 : exactement une racine.

b) En+1=EnEn0,2sinEn110,2cosEnE_{n+1}=E_{n}-\frac{E_{n}-0{,}2\sin E_{n}-1}{1-0{,}2\cos E_{n}}. F(1)=0,2sin10,168294F(1)=-0{,}2\sin 1\approx-0{,}168294 et F(1)0,891939F'(1)\approx 0{,}891939, donc E11,188683E_{1}\approx 1{,}188683. Puis E21,185325E_{2}\approx 1{,}185325. Le tour suivant donne 1,1853241{,}185324 : stable.

c) E1=1+0,2sin11,168294E_{1}=1+0{,}2\sin 1\approx 1{,}168294 ; E21,184017E_{2}\approx 1{,}184017 ; E31,185226E_{3}\approx 1{,}185226. Après trois tours, l'erreur vaut encore 10410^{-4} : trois décimales, contre six pour Newton en deux tours.

d) C'est un point fixe de g(E)=M+esinEg(E)=M+e\sin E, avec g(E)=ecosEe=0,2<1|g'(E)|=e|\cos E|\le e=0{,}2<1 : convergence garantie, et chaque tour multiplie l'erreur par au plus ee. Plus l'orbite est circulaire, plus ee est petit et plus la convergence est rapide. Pour la Terre, e0,017e\approx 0{,}017 : chaque tour gagne près de deux décimales, et la méthode de Kepler suffisait largement.

e) cosEcos1,1853240,3763\cos E\approx\cos 1{,}185324\approx 0{,}3763, donc r10,2×0,37630,925r\approx 1-0{,}2\times 0{,}3763\approx 0{,}925 unité astronomique.

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