Méthode de Newton-Raphson : convergence locale
Tristan Vaccon
24 septembre 2012
Soient x0Rn,r > 0et B=B(x0, r). Soit f:BRn, de classe C1.
On considère la suite (xn)nNobtenue par la méthode de Newton : xn+1 =xn
f0(xn)1f(xn). On suppose que :
(x, y)B2,kf0(x)f0(y)k6γkxyk;
pour tout xB,f0(x)est inversible et kf0(x)1k6β;
α=kx1x0k<2r
2+βγr .
Nous allons montrer que la suite (xn)nNest bien définie et converge vers un zéro
de f, et nous allons étudier la vitesse de convergence.
On commence par un lemme d’analyse :
Lemme 1. Soit f:RnRnune fonction différentiable dans un ouvert convexe
CRn. On suppose qu’il existe γ > 0tel que :
(x, y)C2,kf0(x)f0(y)k ≤ γkxyk.
Alors on a (x, y)C2,kf(x)f(y)f0(y)(xy)k6γ
2kxyk2.
Démonstration. Soient (x, y)C2.Cétant convexe, le segment [x, y]est inclus
dans C. Soit φ: [0,1] Rn, t 7→ f(y+t(xy)).
On a φ0(t) = f0(y+t(xy)).(xy)et φ0(0) = f0(y).(xy). Ainsi,
kφ0(t)φ0(0)k6kf0(y+t(xy)) f0(y)kkxyk6γtkxyk2.
On a
f(x)f(y)f0(y).(xy) = φ(1) φ(0) φ0(0) = Z1
0
(φ0(t)φ0(0))dt.
Finalement
kf(x)f(y)f0(xy)k6Z1
0
γtkxyk2dt 6γ
2kxyk2.
1
Lemme 2. On a, pour tout nN,xnBet kxn+1 xnk6αh2n1h=αβγ
2
et on a h < 1.
Démonstration. On montre d’abord que h < 1. On a
αβγ < 2βγr
2 + βγr <2.
Pour n= 0,α=kx1x0ket l’inégalité recherchée est vrai. De plus, α <
2r
2+βγr 6ret donc x1B.
On suppose le résultat vrai pour tout kn1. Alors
kxn+1 xnk=k − f0(xn)1f(xn)k6βkf(xn)k.
Par définition de xn,f(xn1) + f0(xn1)(xnxn1) = 0, donc
kxn+1xnk6βkf(xn)f(xn1)f0(xn1)f(xn1)(xnxn1)k6βγ
2kxnxn1k2,
en utilisant le lemme précédent.
Avec l’hypothèse de récurrence,
kxn+1 xnk6βγ
2(αh2n11)2=βγ
2α2h2n2=αh2n1.
Maintenant, montrons que xn+1 est bien dans B. Avec l’hypothèse, on a kxk+1
xkk6αh2k1si kn. Donc :
kxn+1 x0k6
n
X
k=0
kxk+1 xkk6α
n
X
k=0
h2k16α
+
X
k=0
hk=α
1h.
Or avec α < 2r
2+βγr ,
α
1h=2α
2αβγ <4r
2 + βγr
2 + βγr
2(2 + βγr)2rβγ =r.
Et on a donc bien le résultat par récurrence.
Proposition 1. La suite (xn)nNconverge vers ξBtel que f(ξ)=0et on a
pour tout nN,
kxnξk6αh2n1
1h2n.
2
Démonstration. Best fermé dans Rnqui est complet, et du fait que nN,kxn+1
xnk6αh2n1avec 0< h < 1, on obtient que (xn)nNest de Cauchy, donc converge
vers ξBtel que kξx0k6α(1 + h+h3+. . . )<α
1h< r. Donc ξB. Les
fonctions fet (f0)1étant continues dans B, on a ξ=ξf0(ξ)1f(ξ)et comme
par définition, f0(ξ)1est inversible donc injective, f(ξ)=0.
Enfin, pour la vitesse de convergence,
kxnξk=k
+
X
k=n
(xkxk+1)k
6
+
X
k=n
k(xkxk+1)k6αX
k>n
h2k1
6αh1X
k>1
hk2n=αh2n1
1h2n
.
Références
[1] Chambert-Loir, Antoine & Fermigier, Stéfane Analyse 2, exercices.
Agrégation de mathématiques
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