Suites r´
ecurrentes et m´
ethode de Newton
approche progressive
Ce document vient en compl´
ement du chapitre 6 du livre Infor-
matique, programmation et calcul scientifique en Python et Sci-
lab, publi´
e chez ellipses. On d´
emontre les r´
esultats sur les suites
r´
ecurrentes et la m´
ethode de Newton qui font l’objet d’explora-
tion num´
erique dans cet ouvrage.
La d´
emarche est plus ´
el´
ementaire et plus progressive que dans le
document [1], lui aussi pr´
esent sur univenligne.fr.
L’objectif est bien entendu la m´
ethode de Newton elle-mˆ
eme, expos´
ee dans le cas des fonctions
de la variable r´
eelle avec l’exercice 6. Pour bien aborder cette ´
etude, il nous semble qu’il y a deux
´
etapes pr´
ealables :
– acqu´
erir une certaine familiarit´
e avec les suites r´
ecurrentes (ou syst`
emes dynamiques discrets)
tant au niveau th´
eorique (ce sont ici les exercices 1 `
a 6 qui y contribuent), qu’au niveau exp´
erimental,
et l`
a : programmation et exp´
erimentation sont de mise !
– programmer la m´
ethode de Newton elle-mˆ
eme sur des exemples simples, ce qui motivera l’´
etude
d´
etaill´
ee en vue d’´
etablir la convergence quadratique. Nous renvoyons pour cela au chapitre 6
de notre manuel d’informatique et de calcul num´
erique.
1´
Enonc´
es
Exercice 1 Suite r´
ecurrentes, g´
en´
eralit´
es
Soit fd´
efinie sur un intervalle Iet une suite (un)ntelles que un+1 =f(un)
1. On suppose fcroissante, que dire de (un)n?
FIGURE 1 – f:= x7→ ln (3 + 2 x),croissante
1
2. On suppose fd´
ecroissante, que dire des suites (vn)n= (u2n)net (wn)n= (u2n+1)n?
3. Montrer que si fest d´
ecroissante et admet un point fixe ptel que v0≤p≤w0,alors, pour
tout non a vn≤p≤wn.
FIGURE 2 – f:= x7→ ln (18 −5x),d´
ecroissante
Corrig´
e en 2.0.1.
Exercice 2 Existence d’un point fixe.
Montrer que si fest continue sur I= [a, b],ferm´
e, born´
e et si f(I)⊂I, alors il existe c∈Itel
que f(c) = c.
Corrig´
e en 2.0.2.
Exercice 3 points fixes attractifs et r´
epulsifs
1. Deux r´
esultats pr´
eliminaires :
(a) Soit gune fonction `
a valeurs r´
eelles et continue sur un intervalle I. On suppose que
pour un certain x0∈I, g(x0)<1.Montrer qu’il existe deux r´
eels α > 0et k < 1tels
que pour tout x∈I∩]x0−α, x0+α[, g(x)< k.
Indication : ´
ecrire que gest continue au point x0:
pour tout ε > 0,il existe α > 0tel que x∈Iet |x−x0| ≤ α⇒ |g(x)−g(x0)|| ≤ ε.
Si vous choisissez bien ε, le tour est jou´
e.
(b) Soit gune fonction `
a valeurs r´
eelles et continue sur un intervalle I. On suppose que
pour un certain x0∈I, g(x0)>1.Montrer qu’il existe un r´
eel α > 0et k > 1tels
que pour tout x∈I∩]x0−α, x0+α[, g(x)> k.
2. On suppose que fest de classe C1sur l’intervalle Iet qu’elle admet un point fixe cen lequel
|f0(c)|<1(on dit que le point fixe c est attractif).
(a) Justifier qu’il existe un r´
eel k < 1et un ensemble {x∈I/ |x−c|< α},sur lequel
|f0(x)| ≤ k.
(b) On suppose que Iest un voisinage de c, c’est `
a dire qu’il existe β > 0tel que
]c−β, c +β[⊂I.
2
Justifier qu’il existe un intervalle J=]c−δ, c +δ[⊂Itel que f(J)⊂J.
Indication : choisir δen fonction de αet de βet penser au th´
eor`
eme des accroissements
finis.
(c) Montrer que pour tout u0∈J, la relation de r´
ecurrence un+1 =f(un)d´
efinit une
suite d’´
el´
ements de J.
(d) Montrer qu’une telle suite v´
erifie
∀n∈N,|un−c|6kn|u0−c|.
FIGURE 3 – f:= x7→ −1/3x2+ 3/2,point fixe attractif en c= 1.
3. On suppose maintenant que |f0(c)|>1(on dit que le point fixe c est r´
epulsif).
(a) Justifier qu’il existe un r´
eel k > 1et un intervalle {x∈I/ |x−c|< α}sur lequel
|f0(x)| ≥ k.
(b) Montrer que si une suite v´
erifie un+1 =f(un)et converge vers c, elle est stationnaire.
Corrig´
e en 2.0.3.
3
FIGURE 4 – f:= x7→ −1/2x2+ 3/2,point fixe r´
epulsif en c= 1.
Exercice 4 deux exemples sans indications : prenez le temps de chercher, les ´
enonc´
es d´
etaill´
es
comme celui qui suit d´
etruisent votre capacit´
e`
a bˆ
atir des sc´
enarios ...
1. A la lumi`
ere de l’exercice pr´
ec´
edent, ´
etudier la suite d´
efinie par (u0=π
2+k π, k ∈N,
un+1 = sin un
2. ´
Etudier de mˆ
eme la suite d´
efinie par (u0= 1,
un+1 = cos un
Corrig´
e en 2.0.4.
Exercice 5 les mˆ
emes exemples avec des d´
etails, mais commencez par chercher sans questions
interm´
ediaires...
1. On se propose d’´
etudier la suite (u0=π
2+k π, k ∈N,
un+1 = sin un
(a) Repr´
esentez graphiquement la fonction sinus ainsi que l’identit´
e.
(b) Montrer qu’il existe un intervalle Istable par sin et tel que ∀n∈N∗, un∈I(avec
I= [0,1] ou [−1,0]).D´
eterminer le signe de un.
(c) Monter que la suite converge et pr´
eciser sa limite.
(d) Montrer que un+1 −un∼−u3
n
6.
2. On ´
etudie maintenant la suite (u0= 1,
un+1 = cos un
(a) Montrer que cos admet un point fixe cet un seul sur R.Faire une figure.
(b) Montrer que u1≤c≤u0.Que peut on en d´
eduire pour les termes u2pet u2p+1?
(c) Prouver que les suites (u2p)pet (u2p+1)psont monotones.
(d) Prouver qu’elles sont adjacentes (on pensera encore au th´
eor`
eme des accroissements
finis).
4
corrig´
e en 2.0.5
Exercice 6 m´
ethode de Newton
1. Deux r´
esultats pr´
eliminaires :
Soient Iun intervalle de R, x0∈Iet g:I→R,une fonction continue.
(a) On suppose que g(x0)>0.Montrer qu’il existe un r´
eel α > 0,tel que, pour tout
x∈I∩]x0−α, x0+α[, g(x)>g(x0)
2.
(b) On suppose maintenant que g(x0)<1.Montrer qu’il existe une constante k∈]0,1[ et
un r´
eel α > 0,tels que, pour tout x∈I∩]x0−α, x0+α[, g(x)≤k.
Soit fune fonction de classe C2sur l’intervalle ouvert I=]a, b[,ayant une racine cdans I.
On suppose que |f0(c)| ≥ m > 0.On pose
F(x) = x−f(x)
f0(x)
2. V´
erifier que Fest d´
efinie sur un voisinage de c, que cest un point fixe de Fet que F0(c)=0.
On dit que cest un point fixe super attractif.
3. (a) Montrer qu’il existe δ > 0tel que
J=]c−δ, c +δ[∈DF,
∀x∈J, |F0(x)|<1.
En d´
eduire que F(J)⊂Jet que si x0∈J, la relation xn+1 =F(xn)d´
efinit une suite
d’´
el´
ements de J.
(b) Soit x0∈J. Montrer que la suite de premier terme x0d´
efinie par xn+1 =F(xn),
v´
erifie
|xn+1 −c|6M2
2m1
|xn−c|2
|xn−c|6M2
2m12n−1
|x0−c|2n
avec
M2= sup |f”(x)|
|x−c|6δ
et m1= inf f0(x)
|x−c|6δ
.
A quelle condition converge-t-elle ?
On appelle m´
ethode de Newton, la m´
ethode qui consiste `
a approcher une racine de fpar une
suite r´
ecurrente d´
efinie par la fonction Fainsi associ´
ee `
af.
corrig´
e en 2.0.6
5
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