mathématiques (PC) · Chapitre 5 · Exercice de TD
Le point fixe de Picard
Espaces Vectoriels Normés et Topologie · D. Limite et continuité · niveau 3 (difficile)
Énoncé
Soit une partie fermée non vide de , muni d'une norme , et une application -lipschitzienne, avec .
a) Montrer que a au plus un point fixe.
b) Soit et définie par . Montrer que . En déduire que, pour chaque coordonnée , la série converge absolument, puis que converge vers un point , et que .
c) Montrer que pour tout .
d) Équation de Kepler. Pour et , montrer que l'équation a une unique solution réelle. Pour et , en partant de , combien d'itérations l'estimation du c) exige-t-elle pour garantir une erreur au plus égale à ?
Corrigé
La stratégie. Pour montrer qu'une suite converge sans connaître sa limite, on l'écrit comme somme de ses accroissements, , et l'on montre que la série des accroissements converge : c'est le lien suite-série de la première année, coordonnée par coordonnée. La contraction majore les accroissements par une suite géométrique ; la fermeture de y garde la limite.
a) L'unicité. Si et , alors , soit : comme , .
b) L'existence. La suite est bien définie, envoyant dans . La majoration géométrique, par récurrence : vraie pour , et si elle l'est au rang , Coordonnée par coordonnée. Les normes de sont équivalentes : il existe tel que pour tout . Donc , terme général d'une série géométrique convergente : la série réelle converge absolument, donc converge, et par le lien suite-série la suite converge. Toutes les coordonnées convergent : en dimension finie, converge vers un vecteur (cours).
La limite est un point fixe de . Les sont dans le fermé : par la caractérisation séquentielle, . , lipschitzienne, est continue : ; mais . Par unicité de la limite, .
c) La vitesse. Pour , par l'inégalité triangulaire et le b), À fixé, quand , la continuité de la norme donne : la convergence est géométrique, avec une erreur majorée dès le premier pas.
d) L'équation de Kepler. On cherche les points fixes de , de — fermé non vide — dans . Par l'inégalité des accroissements finis (), : est -lipschitzienne avec . L'équation a une unique solution réelle.
Le nombre d'itérations. Pour , , : , et le c) garantit inférieur à dès que : à partir de ( ne suffit pas, suffit).
Contrôle. La solution vaut , et les erreurs des itérés successifs sont environ , , , , puis : cinq itérations suffisent en pratique. La constante est la pire sur tout ; près de la solution, le rapport utile est , et l'erreur est en effet divisée par environ à chaque pas.
Le point délicat. La fermeture de n'est pas décorative : sur , est -lipschitzienne de dans , ses itérés tendent vers , et elle n'a aucun point fixe dans .
Ce que l'exercice installe. Le lien suite-série prouve une convergence sans connaître la limite : on majore les accroissements par une série convergente ; la contraction en est le cas géométrique, avec une estimation d'erreur explicite. En physique, l'équation de Kepler donne la position d'une planète sur son orbite elliptique à un instant donné — est proportionnel au temps, est l'excentricité — ; elle n'a pas de solution explicite, et c'est par cette itération qu'on la résout. Toutes les méthodes itératives de résolution d'équations reposent sur ce principe.
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