Aller au contenu

Leçon 6

Méthodes de Newton et de la sécante

Vidéo 6 : Méthodes de Newton et de la sécante · 3 min 37 s · sous-titres en français

Le cours écrit

6.1 L'idée de Newton

La dichotomie est sûre mais lente. La méthode de Newton (du nom d'Isaac Newton) remplace la courbe par sa tangente. On part d'un réel x0x_0 proche de la solution ; la tangente à Cf\mathcal{C}_f au point d'abscisse x0x_0 coupe l'axe des abscisses en un réel x1x_1, en général plus proche de la solution ; on recommence à partir de x1x_1.

6.2 La formule

La tangente au point d'abscisse xnx_n a pour équation y=f(xn)+f′(xn)(x−xn)y = f(x_n) + f'(x_n)(x - x_n). Elle coupe l'axe des abscisses quand y=0y = 0, c'est-à-dire quand f′(xn)(x−xn)=−f(xn)f'(x_n)(x - x_n) = -f(x_n). Si f′(xn)≠0f'(x_n) \neq 0 : xn+1=xn−f(xn)f′(xn).x_{n+1} = x_n - \frac{f(x_n)}{f'(x_n)}.

Exemple 15. f(x)=x3−3x+1f(x) = x^3 - 3x + 1, f′(x)=3x2−3f'(x) = 3x^2 - 3, et x0=0x_0 = 0.

  • x1=0−f(0)f′(0)=0−1−3=13x_1 = 0 - \dfrac{f(0)}{f'(0)} = 0 - \dfrac{1}{-3} = \dfrac13.
  • f ⁣(13)=127f\!\left(\frac13\right) = \dfrac{1}{27} et f′ ⁣(13)=−83f'\!\left(\frac13\right) = -\dfrac83, donc x2=13+127×38=13+172=2572≈0,347 22x_2 = \dfrac13 + \dfrac{1}{27} \times \dfrac38 = \dfrac13 + \dfrac{1}{72} = \dfrac{25}{72} \approx 0{,}347\,22.
  • x3≈0,347 296 35x_3 \approx 0{,}347\,296\,35, et ∣x3−β∣<10−8|x_3 - \beta| < 10^{-8}.

Trois étapes donnent huit décimales exactes, là où la dichotomie demandait dix étapes pour trois décimales.

6.3 En Python

def fp(x):
    return 3*x**2 - 3

def newton(x, n):
    for k in range(n):
        x = x - f(x) / fp(x)
    return x

newton(0, 3) renvoie 0.34729635316386803.

6.4 Quand la méthode échoue

  • Si f′(xn)=0f'(x_n) = 0, la tangente est horizontale et ne coupe pas l'axe des abscisses : la formule divise par 00. Avec f(x)=x3−3x+1f(x) = x^3 - 3x + 1 et x0=1x_0 = 1, on a f′(1)=0f'(1) = 0 : la méthode ne démarre pas.
  • Un point de départ mal choisi peut conduire à une autre solution que celle cherchée, ou ne mener nulle part. On part donc près de la solution, par exemple après quelques étapes de dichotomie.

6.5 Un lien avec le chapitre 2

Pour f(x)=x2−2f(x) = x^2 - 2, on a f′(x)=2xf'(x) = 2x et x−x2−22x=2x2−x2+22x=x2+22x=12(x+2x).x - \frac{x^2 - 2}{2x} = \frac{2x^2 - x^2 + 2}{2x} = \frac{x^2 + 2}{2x} = \frac12\left(x + \frac2x\right). La méthode de Héron du chapitre 2, un+1=12(un+2un)u_{n+1} = \dfrac12\left(u_n + \dfrac{2}{u_n}\right), est donc la méthode de Newton appliquée à x2−2x^2 - 2.

6.6 La méthode de la sécante

Elle n'utilise pas la dérivée. On part de deux réels x0x_0 et x1x_1. La sécante qui passe par les points de Cf\mathcal{C}_f d'abscisses xn−1x_{n-1} et xnx_n a pour équation y=f(xn)+f(xn)−f(xn−1)xn−xn−1 (x−xn).y = f(x_n) + \frac{f(x_n) - f(x_{n-1})}{x_n - x_{n-1}}\,(x - x_n). Elle coupe l'axe des abscisses en xn+1=xn−f(xn) xn−xn−1f(xn)−f(xn−1)(f(xn)≠f(xn−1)).x_{n+1} = x_n - f(x_n)\,\frac{x_n - x_{n-1}}{f(x_n) - f(x_{n-1})} \qquad \big(f(x_n) \neq f(x_{n-1})\big).

Exemple 16. f(x)=x3−3x+1f(x) = x^3 - 3x + 1, x0=0x_0 = 0 et x1=1x_1 = 1.

  • x2=1−(−1)×1−0−1−1=1−12=0,5x_2 = 1 - (-1) \times \dfrac{1 - 0}{-1 - 1} = 1 - \dfrac12 = 0{,}5.
  • Avec f(0,5)=−0,375f(0{,}5) = -0{,}375 : x3=0,5−(−0,375)×0,5−1−0,375+1=0,5−0,3=0,2x_3 = 0{,}5 - (-0{,}375) \times \dfrac{0{,}5 - 1}{-0{,}375 + 1} = 0{,}5 - 0{,}3 = 0{,}2.
  • Puis x4=3187≈0,356x_4 = \dfrac{31}{87} \approx 0{,}356, x5≈0,3477x_5 \approx 0{,}3477, x6≈0,347 29x_6 \approx 0{,}347\,29.

6.7 Comparer les trois méthodes

Méthode Ce qu'il faut Vitesse Point fort
Dichotomie ff continue qui change de signe lente encadrement garanti
Newton la dérivée et un bon départ très rapide peu d'étapes
Sécante deux bons points de départ rapide pas de dérivée

Lire le cours complet du chapitre

Exercices 11 et 12

  • Exercice 11 : une boîte cubique de deux litres
  • Exercice 12 : Newton et la sécante en Python

Exercices du chapitre (PDF, 157 Ko)

Corrigés

Cherche d'abord les exercices sur ta feuille, puis compare avec le corrigé détaillé.

Corrigés du chapitre (PDF, 152 Ko)

Tu es hors connexion. Les chapitres téléchargés restent disponibles dans Hors connexion.