mathématiques (PCSI) · Chapitre 9 · Exercice de TD
L'erreur de la méthode d'Euler est en
Analyse asymptotique · E. Suites · niveau 2
Énoncé
a) Soit un réel fixé. Montrer que, quand , (écrire la puissance sous forme exponentielle ; jusqu'à quel ordre faut-il développer l'exposant ?). Écrire le cas .
b) La méthode d'Euler de pas , appliquée à avec , calcule à partir de : après pas, elle fournit la valeur approchée de . Montrer que, pour , . Pour , combien de pas faut-il pour une erreur inférieure à ?
c) L'extrapolation de Richardson combine deux calculs : montrer que . Pour , comparer et , avec et , puis estimer le rang qui suffit pour une erreur inférieure à .
d) Variante continue : montrer que quand .
Corrigé
La stratégie. Une puissance dont la base et l'exposant dépendent de ne se développe pas telle quelle — c'est la forme « ». On repasse par l'exponentielle, on développe l'exposant à l'ordre voulu, on sort la partie qui ne tend pas vers , puis on compose, ce que le cours autorise avec une suite qui tend vers .
a) Le développement. Pour , . On veut un résultat à près, et la multiplication par abaisse l'ordre d'un cran : il faut le logarithme à l'ordre en : L'exposant tend vers , pas vers : on factorise avant de développer. Avec , on a , où et où est un , puisque . Donc et . Pour : .
b) L'erreur d'Euler. Le schéma donne , donc , et par le a), Pour , le premier terme n'est pas nul, et il donne l'équivalent : . La méthode d'Euler est d'ordre : diviser le pas par deux divise l'erreur par deux, et gagner une décimale coûte dix fois plus de pas. Pour , l'erreur est équivalente à ; elle passe sous pour de l'ordre de million, et le calcul exact donne le plus petit rang : . C'est la lenteur de constatée numériquement au premier semestre, désormais expliquée et chiffrée.
c) Tuer le terme en . Notons . Aux rangs et : et Dans , les termes en se détruisent, et il reste Pour , et . Numériquement, , tandis que : vingt-trois fois moins, pour deux calculs au lieu d'un. Pour , la condition donne , et le calcul exact : au total pas d'Euler, contre plus d'un million.
d) La variante continue. Pour , , et . Avec : Rien n'a supposé : le développement vaut des deux côtés de ; composé avec la suite , il redonne le cas du a).
Le point délicat. L'exposant tend vers , pas vers : développer comme si l'exposant était petit est la faute. On sort , et seul se développe — l'interdit du cours sur la composition par l'exponentielle, traité comme il faut.
Ce que l'exercice installe. Un développement asymptotique est la mesure de la vitesse de convergence : « » ne permet pas de choisir , « » le permet — et connaître le terme d'erreur, c'est pouvoir l'éliminer. Le TD 5 avait étudié la stabilité du schéma d'Euler ; on en mesure ici l'erreur. C'est le schéma que la physique met en œuvre numériquement dès la première année, et l'extrapolation de Richardson est l'idée des méthodes d'ordre supérieur.