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Analyse numérique : Résolution d'équations non linéaires

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

La résolution d'équations non linéaires consiste à chercher une racine $\alpha$ telle que $f(\alpha) = 0$.

  1. Théorème des valeurs intermédiaires (TVI) : Si $f$ est continue sur $[a, b]$ et $f(a) \cdot f(b) < 0$, alors il existe au moins un $\alpha \in ]a, b[$ tel que $f(\alpha) = 0$.
  2. Méthode de dichotomie : On divise l'intervalle par deux à chaque étape. La convergence est lente (linéaire).
  3. Méthode de Newton : Utilise la tangente. Formule : $x_{n+1} = x_n - \frac{f(x_n)}{f'(x_n)}$. Convergence quadratique si $f'(\alpha) \neq 0$.

Méthodes à maîtriser

  • Dichotomie : Vérifier la continuité et le changement de signe. Calculer le milieu $m = \frac{a+b}{2}$.
  • Newton : Choisir une valeur initiale $x_0$ proche de la racine. Vérifier que $f'(x) \neq 0$ au voisinage de la racine.
  • Point fixe : Transformer $f(x)=0$ en $g(x)=x$. La convergence est assurée si $|g'(x)| < 1$.

Exemples corrigés

Exemple Newton : Résoudre $f(x) = x^2 - 2 = 0$ avec $x_0 = 1.5$. $f'(x) = 2x$. $x_1 = 1.5 - \frac{1.5^2 - 2}{2(1.5)} = 1.5 - \frac{0.25}{3} \approx 1.4167$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier de vérifier la continuité avant d'appliquer le TVI.
  • Utiliser la méthode de Newton quand $f'(x)$ est proche de 0 (division par zéro ou instabilité).
  • Confondre la tolérance avec le nombre d'itérations.

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Analyse numérique : Résolution d'équations non linéaires

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La méthode de dichotomie est :

❓ Questions fréquentes

Comment choisir x0 pour Newton ?
  1. Utiliser le TVI pour localiser l'intervalle $[a, b]$.
  2. Choisir $x_0$ au milieu ou aux extrémités selon la convexité de la fonction.

💡 À retenir : Un $x_0$ proche de la racine garantit une convergence rapide.

Est-ce que la dichotomie peut échouer ?

Elle échoue si $f(a)$ et $f(b)$ ont le même signe, car on ne peut pas garantir la présence d'une racine.

💡 À retenir : Le changement de signe est la condition sine qua non.

Pourquoi on étudie l'analyse numérique en ingénierie ?

Parce que beaucoup d'équations réelles (physique, mécanique) n'ont pas de solution analytique exacte.

💡 À retenir : L'ingénieur doit savoir approximer une solution avec une précision donnée.

Pourquoi la méthode de Newton est-elle plus rapide que la dichotomie ?
  1. La dichotomie a une convergence linéaire : l'erreur est divisée par 2 à chaque étape.
  2. Newton a une convergence quadratique : le nombre de chiffres significatifs double à chaque itération.

💡 À retenir : Newton est très rapide mais nécessite une bonne valeur initiale et une dérivée non nulle.

Kifach n3ref wach l'intervalle li 3tawni mzyan l dichotomie ?
  1. Khass tkon $f$ mtasla (continue) f dak l'intervalle.
  2. Khass t7seb $f(a)$ w $f(b)$ w tchouf wach $f(a) \times f(b) < 0$.
  3. Ila kan l'hssab sghir, ra l'intervalle mzyan.

💡 À retenir : $f(a) \times f(b) < 0$ veut dire que la courbe traverse l'axe des abscisses.

Est-ce que la méthode de Newton converge toujours ?

Non. Elle nécessite :

  1. Une fonction $f$ de classe $C^2$.
  2. Une valeur initiale $x_0$ suffisamment proche de la racine.
  3. $f'(x) \neq 0$ sur l'intervalle considéré.

💡 À retenir : Si $x_0$ est loin, la suite peut diverger.

Chno hiya "l'ordre de convergence" f had l'analyse ?

C'est un nombre qui mesure la vitesse à laquelle l'erreur diminue.

  1. Si l'erreur $e_{n+1} \approx C \cdot e_n$, c'est l'ordre 1 (linéaire).
  2. Si $e_{n+1} \approx C \cdot e_n^2$, c'est l'ordre 2 (quadratique).

💡 À retenir : Plus l'ordre est élevé, moins il faut d'itérations.

Kifach n7seb l'erreur f méthode de dichotomie ?

L'erreur après $n$ itérations est majorée par $\frac{b-a}{2^n}$.

  1. Tu prends la longueur initiale $(b-a)$.
  2. Tu divises par $2^n$ selon le nombre d'étapes.

💡 À retenir : L'erreur diminue de moitié à chaque étape.

Peut-on utiliser Newton si f'(x) = 0 ?

Non, car la formule contient $f'(x)$ au dénominateur. Si $f'(x_n) = 0$, le calcul est impossible.

💡 À retenir : La dérivée doit être non nulle pour garantir la convergence.

Est-ce que le point fixe est toujours convergent ?

Non, cela dépend de la fonction $g(x)$.

  1. Si $|g'(x)| < 1$ au voisinage du point fixe, ça converge.
  2. Si $|g'(x)| > 1$, ça diverge.

💡 À retenir : La condition $|g'(x)| < 1$ est cruciale.

Wach momkin nst3mlo Newton f ga3 l'équations ?

Non, seulement si la fonction est dérivable et qu'on peut calculer sa dérivée facilement.

💡 À retenir : Si $f$ est complexe à dériver, on préfère d'autres méthodes.

Quelle est la différence entre erreur absolue et relative ?
  1. Absolue : $|x_{exact} - x_{approx}|$.
  2. Relative : $\frac{|x_{exact} - x_{approx}|}{|x_{exact}|}$.

💡 À retenir : L'erreur relative est souvent plus parlante pour comparer des ordres de grandeur.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Soit $f(x) = x^3 + x - 1$.

  1. Montrer que $f(x)=0$ admet une unique solution $\alpha$ dans $[0, 1]$.
  2. Effectuer deux itérations de la méthode de dichotomie.
Voir la correction détaillée : inscription gratuite

Exercice 2

Soit $f(x) = e^x - 3x$.

  1. Montrer qu'il existe une racine dans $[0, 1]$.
  2. Appliquer la méthode de Newton avec $x_0 = 0.5$ pour trouver $x_1$.
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Exercice 3

Soit $g(x) = \sqrt{x+2}$. Montrer que $g$ admet un point fixe sur $[1, 2]$ et calculer $x_1$ avec $x_0=1$.

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