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Méthode de Newton
Théorème 1. Soit I⊂Rintervalle de Ret f:I−→ Rde classe C2. On suppose que fs’annule
en un point a∈
◦
Iet que f0(a)6= 0. Alors, la suite (xn)n∈Ndéfinie par xn+1 =xn−f(xn)
f0(xn)
converge quadratiquement vers apour x0assez proche de a.
Démonstration. :
Etape 1 : montrons l’existence d’un segment J= [a−h, a +h]sur lequel f0ne s’annule pas.
Quitte à changer fen −fon peut supposer que f0(a)>0. Comme a∈
◦
Iet que f0est continue
en a(fétant C2), il vient :
∀ε > 0,∃h > 0,∀x∈I, |x−a| ≤ h, |f0(a)−f0(x)| ≤ ε
et en particulier pour 0< ε < f0(a), on a :
∀x∈[a−h, a +h], f0(x)> f0(a)−ε > 0
On pose ainsi J= [a−h, a +h]et on a bien f0>0sur J.
Etape 2 : Pour x∈J, posons F(x) = x−f(x)
f0(x), bien définie cf étape 1.
Objectif : montrons qu’il existe C > 0tel que |F(x)−a| ≤ C|x−a|2et que quitte à diminiuer
J= [a−h, a +h]en prenant hplus petit, Jest stable par F i.e |F(x)−a| ≤ hpour x∈J.
Remarquons pour commencer que F(a) = aet que sur J:
F0(x)=1−f0(x)2−f(x)f00(x)
f0(x)2=f(x)f00(x)
f0(x)2=⇒F0(a)=0.
Evaluons donc la quantité F(x)−apour x∈J. On a :
F(x)−a= (x−a)−f(x)
f0(x)=f0(x)(x−a)−f(x)
f0(x)=f(a)−f(x)−(a−x)f0(x)
f0(x)
où l’on a rajouté f(a)=0au numérateur afin de pouvoir appliquer la formule de Taylor Lagrange.
Il existe c∈]a, x[(avec x>aou x<a) tel que :
F(x)−a=f00(c)(x−a)2
2f0(x)
Alors, Jétant compact et fde classe C2,f0et f00 y sont bornées et :
|F(x)−a| ≤ maxx∈J|f00(x)|(x−a)2
2 minx∈J|f0(x)|≤C(x−a)2où C=maxx∈J|f00(x)|
2 minx∈J|f0(x)|.
Ainsi, |F(x)−a| ≤ Ch2et quitte à réduire hen prenant h < 1
C, on peut supposer Ch2< h et
donc |F(x)−a| ≤ hce qui établit la stabilité de Jpar F.
Etape 3 : montrons que pour x0∈J,(xn)converge quadratiquement vers a. La stabilité de J
par F, nous assure que pour x0∈J,(xn)n∈Nest bien définie. De plus, pour n∈N, on a :
|xn+1 −a|=|F(xn)−F(a)| ≤ C(xn−a)2.
En multipliant à gauche par C > 0, on a alors C|xn+1 −a| ≤ (C|xn−a|)2et par une récurrence
immédiate :
C|xn−a| ≤ (C|x0−a|)2n≤(Ch)2n.
Comme Ch < 1, on a bien la convergence quadratique de (xn)n∈Nvers a, pour x0pris assez
proche de a.
Proposition 1. Sous les hypothèses du théorème précédent, avec toujours f0(a)>0et en sup-
posant de plus fconvexe sur Iet f00 ne s’annulant pas sur I, la convergence de la suite (xn)
vers aest assuré pour x0> a et de plus (xn+1 −a)
(xn−a)2∼
+∞
f00(a)
2f0(a)
| {z }
>0