Accroissements finis et valeur approchée d'une limite
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Le cours écrit
5.1 La méthode
Hypothèses.f est dérivable sur un intervalle I stable par f, u0∈I, ℓ∈I vérifie f(ℓ)=ℓ, et il existe un réel k tel que 0≤k<1 et ∣f′(x)∣≤k pour tout x∈I.
Pour tout n, un et ℓ sont dans I. L'inégalité des accroissements finis (chapitre 2, forme 2) donne f(un)−f(ℓ)≤k∣un−ℓ∣, c'est-à-dire
∣un+1−ℓ∣≤k∣un−ℓ∣.
Par récurrence, ∣un−ℓ∣≤kn∣u0−ℓ∣ pour tout n. L'initialisation est immédiate ; pour l'hérédité, ∣un+1−ℓ∣≤k∣un−ℓ∣≤k×kn∣u0−ℓ∣.
Comme 0≤k<1, kn→0. La conséquence du théorème des gendarmes donne limun=ℓ.
En prime, l'inégalité ∣un−ℓ∣≤kn∣u0−ℓ∣ mesure l'écart entre un et ℓ : un est une valeur approchée de ℓ avec une précision connue.
Cette méthode marche que f soit croissante ou décroissante. On l'utilise aussi quand on ne sait pas calculer ℓ : on prouve alors son existence avec le théorème des valeurs intermédiaires (chapitre 1).
5.2 Un exemple : le nombre d'or
Exemple 18. Soit u0=2 et un+1=1+un1. On pose f(x)=1+x1 et I=[23;2].
1. Intervalle stable.f est décroissante sur I, donc f(I)=[f(2);f(23)]=[23;35]⊂I. Comme u0=2∈I, tous les termes sont dans I.
2. Point fixe. Pour x=0, x=1+x1⟺x2−x−1=0⟺x=21±5. Seul φ=21+5≈1,618 est dans I. C'est le nombre d'or.
3. Majoration de la dérivée.f′(x)=−x21, donc pour x∈I : ∣f′(x)∣=x21≤(23)21=94.
4. Inégalités. On a ∣un+1−φ∣≤94∣un−φ∣, puis ∣un−φ∣≤(94)n∣u0−φ∣. Comme u0 et φ sont dans I, de longueur 21, on a ∣u0−φ∣≤21. Donc
∣un−φ∣≤21(94)n.
5. Limite.0≤94<1, donc (94)n→0 et limun=φ.
6. Précision.21(94)n≤10−3⟺(94)n≤2×10−3⟺n≥ln49ln500≈7,66. Pour n=8, u8=5589≈1,61818 est donc une valeur approchée de φ à 10−3 près.
Les termes 2,23,35,58,813,… sont des quotients de nombres consécutifs de la suite de Fibonacci 1,1,2,3,5,8,13,…. Ils sont alternativement au-dessus et au-dessous de φ : c'est l'escargot.