Aller au contenu principal

Cours · Bac+4 (ingénieur)

Analyse numérique

Fiches de cours et sous-notions liées à ce chapitre.

Connecte-toi pour t'entraîner

Pas assez de questions pour un entraînement ciblé sur cette notion.

Interpolation

Non commencé

Définitions

L'interpolation construit une fonction simple passant par des points de données (xi,yi)(x_i, y_i). Lagrange : P(x)=yiLi(x)P(x) = \sum y_i L_i(x) avec Li(x)=jixxjxixjL_i(x) = \prod_{j \neq i} \frac{x-x_j}{x_i-x_j} ; degré n1\leq n-1 pour nn points, unique.

Newton : forme avec différences divisées, ajout facile de points. Splines cubiques : polynômes de degré 3 par morceaux, C2C^2 aux nœuds. Phénomène de Runge : interpolation polynomiale équidistante diverge aux bords pour f(x)=1/(1+25x2)f(x) = 1/(1+25x^2). Chebyshev : nœuds xk=cos(2k+1)π2nx_k = \cos\frac{(2k+1)\pi}{2n} atténuent Runge.

Interpolation : Lagrange (unique degré n1\leq n-1), Newton (différences divisées), splines cubiques C2C^2.

Runge : oscillations aux bords en nœuds équidistants ; nœuds de Chebyshev recommandés.

Formules

  • P(x)=i=0n1yijixxjxixjP(x) = \sum_{i=0}^{n-1} y_i \prod_{j \neq i} \frac{x-x_j}{x_i-x_j}
  • Erreur Lagrange : f(x)P(x)=f(n)(ξ)n!(xxi)\text{Erreur Lagrange : } f(x) - P(x) = \frac{f^{(n)}(\xi)}{n!}\prod(x-x_i)
  • Spline cubique : S continue aux nœuds\text{Spline cubique : } S'' \text{ continue aux nœuds}
  • Runge : erreur 2n/n aux bords (eˊquidistant, Runge)\text{Runge : erreur } \sim 2^n/n \text{ aux bords (équidistant, Runge)}

Exemples

Exemple 1

Erreur de Lagrange.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) f(x)P(x)=f(n)(ξ)n!(xxi)f(x)-P(x)=\frac{f^{(n)}(\xi)}{n!}\prod(x-x_i). (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

Formule d'erreur classique.

Exemple 2

Pourquoi les splines ?

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) Degré local 33, C2C^2, erreur O(h4)O(h^4) : évite Runge global. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

Spline cubique : stable et O(h4)O(h^4).

À retenir

Méthodes itératives

Non commencé

Définitions

Méthodes itératives résolvent Ax=bAx = b sans factorisation directe : Jacobi (xik+1=(bijiaijxjk)/aiix_i^{k+1} = (b_i - \sum_{j \neq i} a_{ij}x_j^k)/a_{ii}), Gauss-Seidel (utilise composantes déjà mises à jour), SOR (relaxation). Convergence si ρ(M)<1\rho(M) < 1 (MM matrice d'itération).

Newton-Raphson pour f(x)=0f(x)=0 : xn+1=xnf(xn)/f(xn)x_{n+1} = x_n - f(x_n)/f'(x_n), convergence quadratique près racine simple. GMRES, CG pour grandes matrices creuses. Critère d'arrêt : rk/b<ε\|r_k\|/\|b\| < \varepsilon.

Itératif linéaire : Jacobi, Gauss-Seidel, SOR ; CV si ρ(M)<1\rho(M)<1. Newton : xf/fx-f/f', quadratique si f(x)0f'(x^*)\neq 0.

Pourquoi c’est central : cette notion structure les preuves et calculs du programme ; maîtriser définitions et hypothèses évite les applications hors cadre.

Formules

  • xn+1=xnf(xn)f(xn)(Newton)x_{n+1} = x_n - \frac{f(x_n)}{f'(x_n)} \quad \text{(Newton)}
  • Convergence Newton : quadratique si f(x)0\text{Convergence Newton : quadratique si } f'(x^*) \neq 0
  • Jacobi : xk+1=D1(b(L+U)xk)\text{Jacobi : } x^{k+1} = D^{-1}(b - (L+U)x^k)
  • CG : pour A sdp, convergence en n iteˊrations exact\text{CG : pour } A \text{ sdp, convergence en } \leq n \text{ itérations exact}

Exemples

Exemple 1

Newton pour 2\sqrt 2 : f(x)=x22f(x)=x^2-2, x0=1x_0=1.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) xn+1=(xn+2/xn)/2x_{n+1}=(x_n+2/x_n)/2 : x1=1,5x_1=1{,}5, x2=1,416x_2=1{,}416\ldots (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

Convergence quadratique vers 2\sqrt 2.

Exemple 2

Critère d'arrêt résidu.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) Arrêter si rk/b<ε\|r_k\|/\|b\|<\varepsilon (ex. 10810^{-8}). (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

Résidu relatif <ε<\varepsilon.

À retenir

Stabilité numérique

Non commencé

Définitions

Stabilité numérique : sensibilité du résultat aux perturbations (données, arrondi). Problème bien conditionné : petites perturbations \Rightarrow petites erreurs. Nombre de condition κ(A)=AA1\kappa(A) = \|A\|\|A^{-1}\| : δxxκ(A)δbb\frac{\|\delta x\|}{\|x\|} \lesssim \kappa(A) \frac{\|\delta b\|}{\|b\|}.

κ\kappa grand \Rightarrow ill-conditionné. Stabilité backward : algorithme calcule solution exacte pour données légèrement perturbées. Annulation catastrophique : soustraction de nombres proches. Analyse d'erreur en arithmétique flottante (εmach1016\varepsilon_{\mathrm{mach}} \approx 10^{-16} en double).

Conditionnement κ(A)=AA1\kappa(A)=\|A\|\|A^{-1}\| : amplifie les erreurs relatives. Hilbert mal conditionnée. Annulation catastrophique.

εmach1016\varepsilon_{\mathrm{mach}}\approx 10^{-16} (double).

Formules

  • κ(A)=AA11\kappa(A) = \|A\| \|A^{-1}\| \geq 1
  • δxxκ(A)(δAA+δbb)\frac{\|\delta x\|}{\|x\|} \leq \kappa(A) \left(\frac{\|\delta A\|}{\|A\|} + \frac{\|\delta b\|}{\|b\|}\right)
  • κ2(A)=σmaxσmin\kappa_2(A) = \frac{\sigma_{\max}}{\sigma_{\min}}
  • Erreur relative κεmachn\text{Erreur relative } \sim \kappa \cdot \varepsilon_{\mathrm{mach}} \cdot n

Exemples

Exemple 1

Interprétation de κ108\kappa\sim 10^8.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) Perte d'environ 88 chiffres significatifs en résolution. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

Perte log10κ\sim\log_{10}\kappa chiffres.

Exemple 2

Réécrire 1cosx1-\cos x pour xx petit.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) 1cosx=2sin2(x/2)x2/21-\cos x = 2\sin^2(x/2)\approx x^2/2 : évite l'annulation. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

1cosxx2/21-\cos x\approx x^2/2.

À retenir