Analyse de convergence — Point fixe et Newton

Objectifs d'apprentissage

À la fin de cette leçon, vous serez en mesure de :

  • Appliquer le théorème de la moyenne pour analyser la convergence
  • Démontrer l'ordre de convergence de la méthode du point fixe
  • Démontrer l'ordre de convergence de la méthode de Newton
  • Comprendre l'impact des racines multiples sur la convergence

Rappel : le théorème de la moyenne

Le théorème de la moyenne (aussi appelé théorème des accroissements finis) est un outil fondamental pour analyser la convergence.

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Théorème de la moyenne

Si f(x)f(x) est continue sur [a,b][a, b] et dérivable sur ]a,b[]a, b[, alors il existe ξ∈]a,b[\xi \in ]a, b[ tel que :

f′(ξ)=f(b)−f(a)b−af'(\xi) = \frac{f(b) - f(a)}{b - a}

Interprétation géométrique

Ce théorème dit qu'il existe au moins un point où la tangente à la courbe est parallèle à la sécante reliant les points (a,f(a))(a, f(a)) et (b,f(b))(b, f(b)).

Forme utile pour notre analyse

On peut réécrire le théorème sous la forme :

f(b)−f(a)=f′(ξ)⋅(b−a)f(b) - f(a) = f'(\xi) \cdot (b - a)

Cette forme sera utilisée pour relier l'erreur à l'itération n+1n+1 à l'erreur à l'itération nn.


Convergence de la méthode du point fixe

Rappel de la méthode

La méthode du point fixe transforme F(x)=0F(x) = 0 en x=g(x)x = g(x) et itère :

Xn+1=g(Xn)X_{n+1} = g(X_n)

La racine rr est un point fixe : r=g(r)r = g(r).

Analyse par le théorème de la moyenne

Calculons l'erreur en+1=Xn+1−re_{n+1} = X_{n+1} - r :

en+1=Xn+1−r=g(Xn)−g(r)e_{n+1} = X_{n+1} - r = g(X_n) - g(r)

En appliquant le théorème de la moyenne à gg entre rr et XnX_n, il existe ξn\xi_n entre ces deux points tel que :

g(Xn)−g(r)=g′(ξn)⋅(Xn−r)g(X_n) - g(r) = g'(\xi_n) \cdot (X_n - r)

Donc :

en+1=g′(ξn)⋅ene_{n+1} = g'(\xi_n) \cdot e_n

Passage à la limite

Quand n→∞n \to \infty, on a Xn→rX_n \to r, donc ξn→r\xi_n \to r (car ξn\xi_n est entre XnX_n et rr).

Si g′(r)≠0g'(r) \neq 0 :

lim⁡n→∞∣en+1∣∣en∣=lim⁡n→∞∣g′(ξn)∣=∣g′(r)∣\lim_{n \to \infty} \frac{|e_{n+1}|}{|e_n|} = \lim_{n \to \infty} |g'(\xi_n)| = |g'(r)|

En comparant avec la définition de l'ordre de convergence (avec p=1p = 1), on identifie :

C=∣g′(r)∣C = |g'(r)|

Condition de convergence

Pour avoir convergence, il faut 0<C<10 < C < 1, donc :

∣g′(r)∣<1|g'(r)| < 1
💡

Condition suffisante de convergence

La méthode du point fixe converge si ∣g′(r)∣<1|g'(r)| < 1 et si le point de départ X0X_0 est suffisamment proche de rr.


Analyse par développement de Taylor

Le théorème de la moyenne nous dit que la convergence est linéaire quand g′(r)≠0g'(r) \neq 0. Mais que se passe-t-il si g′(r)=0g'(r) = 0 ?

Pour répondre, utilisons le développement de Taylor.

Développement de g(Xₙ)

On développe g(Xn)g(X_n) autour du point fixe rr :

g(Xn)=g(r+en)=g(r)+g′(r)⋅en+g′′(r)2!⋅en2+g′′′(r)3!⋅en3+⋯g(X_n) = g(r + e_n) = g(r) + g'(r) \cdot e_n + \frac{g''(r)}{2!} \cdot e_n^2 + \frac{g'''(r)}{3!} \cdot e_n^3 + \cdots

Comme r=g(r)r = g(r) (point fixe) et Xn+1=g(Xn)X_{n+1} = g(X_n) :

Xn+1=r+g′(r)⋅en+g′′(r)2!⋅en2+g′′′(r)3!⋅en3+⋯X_{n+1} = r + g'(r) \cdot e_n + \frac{g''(r)}{2!} \cdot e_n^2 + \frac{g'''(r)}{3!} \cdot e_n^3 + \cdots

En soustrayant rr des deux côtés :

en+1=g′(r)⋅en+g′′(r)2!⋅en2+g′′′(r)3!⋅en3+⋯e_{n+1} = g'(r) \cdot e_n + \frac{g''(r)}{2!} \cdot e_n^2 + \frac{g'''(r)}{3!} \cdot e_n^3 + \cdots

Cas 1 : g'(r) ≠ 0 — Convergence linéaire

Si g′(r)≠0g'(r) \neq 0, le terme dominant est g′(r)⋅eng'(r) \cdot e_n :

en+1en=g′(r)+g′′(r)2!⋅en+g′′′(r)3!⋅en2+⋯\frac{e_{n+1}}{e_n} = g'(r) + \frac{g''(r)}{2!} \cdot e_n + \frac{g'''(r)}{3!} \cdot e_n^2 + \cdots

Quand n→∞n \to \infty, en→0e_n \to 0, donc :

lim⁡n→∞∣en+1∣∣en∣=∣g′(r)∣\lim_{n \to \infty} \frac{|e_{n+1}|}{|e_n|} = |g'(r)|

Conclusion : Convergence linéaire avec C=∣g′(r)∣C = |g'(r)|.

Cas 2 : g'(r) = 0, g''(r) ≠ 0 — Convergence quadratique

Si g′(r)=0g'(r) = 0, le développement devient :

en+1=g′′(r)2!⋅en2+g′′′(r)3!⋅en3+⋯e_{n+1} = \frac{g''(r)}{2!} \cdot e_n^2 + \frac{g'''(r)}{3!} \cdot e_n^3 + \cdots

Le terme dominant est maintenant g′′(r)2⋅en2\frac{g''(r)}{2} \cdot e_n^2 :

en+1en2=g′′(r)2+g′′′(r)6⋅en+⋯\frac{e_{n+1}}{e_n^2} = \frac{g''(r)}{2} + \frac{g'''(r)}{6} \cdot e_n + \cdots

Quand n→∞n \to \infty :

lim⁡n→∞∣en+1∣∣en∣2=∣g′′(r)∣2\lim_{n \to \infty} \frac{|e_{n+1}|}{|e_n|^2} = \frac{|g''(r)|}{2}

Conclusion : Convergence quadratique avec C=∣g′′(r)∣2C = \frac{|g''(r)|}{2}.

Cas 3 : g'(r) = g''(r) = 0, g'''(r) ≠ 0 — Convergence cubique

Si les deux premières dérivées s'annulent :

en+1=g′′′(r)3!⋅en3+⋯e_{n+1} = \frac{g'''(r)}{3!} \cdot e_n^3 + \cdots
lim⁡n→∞∣en+1∣∣en∣3=∣g′′′(r)∣6\lim_{n \to \infty} \frac{|e_{n+1}|}{|e_n|^3} = \frac{|g'''(r)|}{6}

Conclusion : Convergence cubique avec C=∣g′′′(r)∣6C = \frac{|g'''(r)|}{6}.

Résumé pour le point fixe

ConditionOrdre pConstante C
g′(r)≠0g'(r) \neq 01 (linéaire)∣g′(r)∣|g'(r)|
g′(r)=0g'(r) = 0, g′′(r)≠0g''(r) \neq 02 (quadratique)∣g′′(r)∣2\frac{|g''(r)|}{2}
g′(r)=g′′(r)=0g'(r) = g''(r) = 0, g′′′(r)≠0g'''(r) \neq 03 (cubique)∣g′′′(r)∣6\frac{|g'''(r)|}{6}

Observation clé : Plus de dérivées s'annulent au point fixe, plus la convergence est rapide !


Convergence de la méthode de Newton

Newton comme méthode de point fixe

La méthode de Newton peut s'écrire comme une méthode de point fixe avec :

G(X)=X−F(X)F′(X)G(X) = X - \frac{F(X)}{F'(X)}

Pour déterminer l'ordre de convergence, nous devons calculer G′(r)G'(r).

Calcul de G'(X)

En utilisant la règle du quotient :

G′(X)=1−F′(X)⋅F′(X)−F(X)⋅F′′(X)[F′(X)]2G'(X) = 1 - \frac{F'(X) \cdot F'(X) - F(X) \cdot F''(X)}{[F'(X)]^2}
G′(X)=1−[F′(X)]2−F(X)⋅F′′(X)[F′(X)]2G'(X) = 1 - \frac{[F'(X)]^2 - F(X) \cdot F''(X)}{[F'(X)]^2}
G′(X)=[F′(X)]2−[F′(X)]2+F(X)⋅F′′(X)[F′(X)]2G'(X) = \frac{[F'(X)]^2 - [F'(X)]^2 + F(X) \cdot F''(X)}{[F'(X)]^2}
G′(X)=F(X)⋅F′′(X)[F′(X)]2G'(X) = \frac{F(X) \cdot F''(X)}{[F'(X)]^2}

Évaluation en X = r (racine simple)

Au point rr, on a F(r)=0F(r) = 0. Donc :

G′(r)=F(r)⋅F′′(r)[F′(r)]2=0⋅F′′(r)[F′(r)]2=0G'(r) = \frac{F(r) \cdot F''(r)}{[F'(r)]^2} = \frac{0 \cdot F''(r)}{[F'(r)]^2} = 0

Conclusion pour une racine simple

Puisque G′(r)=0G'(r) = 0, d'après notre analyse du point fixe (cas 2), la méthode de Newton a une convergence quadratique !

lim⁡n→∞∣en+1∣∣en∣2=∣G′′(r)∣2\lim_{n \to \infty} \frac{|e_{n+1}|}{|e_n|^2} = \frac{|G''(r)|}{2}

C'est ce qui explique pourquoi Newton converge si rapidement : le nombre de décimales correctes double à chaque itération.


Racines multiples

Définition

Une racine rr est de multiplicité m si :

F(X)=(X−r)m⋅H(X)F(X) = (X - r)^m \cdot H(X)

où H(r)≠0H(r) \neq 0.

Exemples :

  • F(X)=X−3F(X) = X - 3 : racine simple (m=1m = 1) en r=3r = 3
  • F(X)=(X−3)2F(X) = (X - 3)^2 : racine double (m=2m = 2) en r=3r = 3
  • F(X)=(X−3)3F(X) = (X - 3)^3 : racine triple (m=3m = 3) en r=3r = 3

Caractérisation par les dérivées

Pour une racine de multiplicité mm :

  • F(r)=F′(r)=F′′(r)=⋯=F(m−1)(r)=0F(r) = F'(r) = F''(r) = \cdots = F^{(m-1)}(r) = 0
  • F(m)(r)≠0F^{(m)}(r) \neq 0

Impact sur Newton

Pour une racine de multiplicité m≥2m \geq 2, calculons G′(r)G'(r).

Avec F(X)=(X−r)mH(X)F(X) = (X-r)^m H(X), les dérivées sont :

F′(X)=(X−r)m−1[mH(X)+(X−r)H′(X)]F'(X) = (X-r)^{m-1} \left[ mH(X) + (X-r)H'(X) \right]
F′′(X)=(X−r)m−2[m(m−1)H(X)+2m(X−r)H′(X)+(X−r)2H′′(X)]F''(X) = (X-r)^{m-2} \left[ m(m-1)H(X) + 2m(X-r)H'(X) + (X-r)^2 H''(X) \right]

En évaluant G′(X)=F(X)⋅F′′(X)[F′(X)]2G'(X) = \frac{F(X) \cdot F''(X)}{[F'(X)]^2} en X=rX = r et en simplifiant (les puissances de (X−r)(X-r) se simplifient), on obtient :

∣G′(r)∣=m−1m|G'(r)| = \frac{m - 1}{m}

Conséquence

Pour une racine de multiplicité m≥2m \geq 2 :

  • G′(r)≠0G'(r) \neq 0
  • La convergence est linéaire avec C=m−1mC = \frac{m-1}{m}
Multiplicité m|G'(r)|Type de convergence
1 (simple)0Quadratique
2 (double)1/2Linéaire
3 (triple)2/3Linéaire
m(m-1)/mLinéaire
⚠️

Attention aux racines multiples

La méthode de Newton perd sa convergence quadratique pour les racines multiples. Plus la multiplicité est élevée, plus la constante C=m−1mC = \frac{m-1}{m} est proche de 1, et plus la convergence est lente.

Modification de Newton pour les racines multiples

Si on connaît la multiplicité mm, on peut modifier la formule de Newton :

Xn+1=Xn−m⋅F(Xn)F′(Xn)X_{n+1} = X_n - m \cdot \frac{F(X_n)}{F'(X_n)}

Cette modification restaure la convergence quadratique.


Résumé général

MéthodeConditionOrdre pConstante C
Point fixeg′(r)≠0g'(r) \neq 01∣g′(r)∣|g'(r)|
Point fixeg′(r)=0g'(r) = 02∣g′′(r)∣2\frac{|g''(r)|}{2}
NewtonRacine simple2∣G′′(r)∣2\frac{|G''(r)|}{2}
NewtonRacine de multiplicité m1m−1m\frac{m-1}{m}

Points clés

  1. Théorème de la moyenne : permet de relier en+1e_{n+1} à ene_n via g′(ξn)g'(\xi_n)

  2. Point fixe : l'ordre de convergence dépend de combien de dérivées de gg s'annulent en rr

  3. Newton = point fixe avec G(X)=X−F(X)F′(X)G(X) = X - \frac{F(X)}{F'(X)}

  4. Newton et racine simple : G′(r)=0G'(r) = 0 → convergence quadratique

  5. Newton et racine multiple : ∣G′(r)∣=m−1m|G'(r)| = \frac{m-1}{m} → convergence linéaire

  6. Condition de convergence : ∣g′(r)∣<1|g'(r)| < 1 est une condition suffisante