Ing. MACS 1/L3 MIM Analyse Numérique I
Sup'Galilée Année 2015-2016
Partiel du 4 janvier 2016
durée : 2h00.
Sans documents et sans appareils électroniques
Le barême est donné à titre indicatif
Exercice 1 (7 points)
Soit A P M
np R q une matrice régulière telle que tous ses éléments diagonaux soient non nuls. On note D “ diagpAq (i.e. d
ij“ δ
i,ja
ij) et E, F, les matrices à diagonales nulles respectivement triangulaire inférieure et supérieure telles que A “ D ´ E ´ F.
Soient bbb P R
net w P R . Pour résoudre le système Ax x x “ bbb on va utiliser la méthode itérative S.O.R. donnée par la formule suivante
x
rk`1si“ w a
ii˜ b
i´
i´1
ÿ
j“1
a
ijx
rk`1sj´
n
ÿ
j“i`1
a
ijx
rksj¸
` p1 ´ wqx
rksi(1) où x
r0sP R
nest donné.
Q. 1 a. Montrer que (1) peut s'écrire sous la forme
x x x
rk`1s“ Bx x x
rks` ccc (2)
en explicitant la matrice d'itération B et le vecteur ccc en fonction de D, E, F, bbb et w.
b. En posant L “ D
-1E et U “ D
-1F, en déduire que
B “ pI ´ wLq
-1pp1 ´ wqI ` wUq . (3) On pose x x x ¯ “ A
-1bbb .
Q. 2 a. Montrer que
x ¯ x x ´ x x x
rks“ B
kp¯ x x x ´ x x x
r0sq. (4) b. En déduire que la méthode itérative (2) converge vers x x ¯ x “ A
-1bbb si et seulement si ρ pBq ă 1 (on rappelle
que ρ pBq désigne le rayon spectral de B ).
c. Montrer que
ρ pBq ě | detpBq|
1{n“ |1 ´ w|. (5) d. Que peut-on en conclure ?
Q. 3 (algorithmique) Ecrire la fonction SOR permettant de calculer (si possible) une approximation de x x ¯ x “ A
-1bbb par la méthode itérative S.O.R..
Expliquer le(s) critère(s) d'arrêt choisi(s) et préciser les entrées/sorties de cette fonction.
Correction Exercise 1
Q. 1 a. Pour la méthode S.O.R. on a , @i P v1, nw,
x rk`1s i “ w a ii
˜ b i ´
i´1
ÿ
j“1
a ij x rk`1s j ´
n
ÿ
j“i`1
a ij x rks j
¸
` p1 ´ wqx rks i
ce qui s'écrit aussi a ii
w x rk`1s i `
i´1
ÿ
j“1
a ij x rk`1s j “ b i ´
n
ÿ
j“i`1
a ij x rks j ` 1 ´ w
w a ii x rks i
et matriciellement on obtient ˆ D
w ´ E
˙ x x x rk`1s “
ˆ 1 ´ w w D ` F
˙ x x x rks ` bbb.
Comme la matrice `
Dw ´ E ˘
est inversible (car triangulaire inférieure à éléments diagonaux non nuls), on a
x x x rk`1s “
ˆ D w ´ E
˙
-1ˆ 1 ´ w
w D ` F
˙ x x x rks `
ˆ D w ´ E
˙
-1bbb La matrice d'itération de S.O.R. est B “ `
Dw ´ E ˘
-1` 1´w
w D ` F ˘
et le vecteur ccc “ `
Dw ´ E ˘
-1bbb.
b. On a
B “ ˆ D
w ´ E
˙
-1ˆ 1 ´ w
w D ` F
˙
“ ˆ D
w rI ´ wD
-1Es
˙
-1ˆ 1
w Drp1 ´ wqI ` wD
-1Fs
˙
“ ˆ D
w rI ´ wLs
˙
-1ˆ 1
w Drp1 ´ wqI ` wUs
˙
“ pI ´ wLq
-1ˆ D
w
˙
-1ˆ 1
w Drp1 ´ wqI ` wUs
˙
“ pI ´ wLq
-1wD
-1ˆ 1
w Drp1 ´ wqI ` wUs
˙
“ pI ´ wLq
-1pp1 ´ wqI ` wUq
Q. 2 a. Comme x x x ¯ “ A
-1bbb (sans présupposer la convergence) on a M¯ x x x “ N¯ x x x ` bbb et alors
¯ x
x x “ M
-1N¯ x x x ` M
-1bbb “ B¯ x x x ` ccc On obtient donc
x ¯
x x ´ x x x rk`1s “ Bp¯ x x x ´ x x x rks q “ B k`1 p¯ x x x ´ x x x r0s q.
b. La suite x x x rks converge vers x x ¯ x si et seulement si la suite eee rks
def“ x x x ¯ ´ x x x rks converge vers 0 0 0. On a eee rks “ B k eee r0s , @k P N .
D'après le Théorème de convergence des suites de matrices [poly, Théo. 4.45 p.118], on a lim kÑ`8 B k eee r0s “ 0 , @eee r0s P K n si et seulement si ρ pBq ă 1.
c. La matrice L est triangulaire inférieure à diagonale nulle car elle est le produit d'une matrice diagonale (et donc triangulaire inférieure) D
-1et d'une matrice triangulaire inférieure E à diagonale nulle. De même la matrice U est triangulaire supérieure à diagonale nulle.
On sait que le déterminant d'une matrice est égale aux produits de ses valeurs propres comptées avec leurs multiplicités. En notant n la dimension de la matrice B, et en notant λ i pBq ses n valeurs propres, on a donc
detpBq “
n
ź
i“1
λ i pBq.
Le rayon spectrale de B, noté ρ pBq, correspond au plus grand des modules des valeurs propres. On a alors ρ pBq “ max
iPv1,nw |λ i pBq| ě | detpBq| 1{n
De plus on a
detpBq “ det
´
pI ´ wLq
-1pp1 ´ wqI ` wUq
¯
“ det
´
pI ´ wLq
-1¯
det ppp1 ´ wqI ` wUqq
La matrice I ´ wL est triangulaire inférieure à diagonale unité donc son inverse aussi. On en déduit det
´
pI ´ wLq
-1¯
“ 1. La matrice p1´wqI`wU est triangulaire supérieure avec tous ses éléments diagonaux valant 1 ´ w et donc det ppp1 ´ wqI ` wUqq “ p1 ´ wq n . On a alors | detpBq| “ |1 ´ w| n et
ρ pBq ě | detpBq| 1{n “ |1 ´ w|.
d. Une condition nécessaire de convergence pour la méthode S.O.R. est que 0 ă w ă 2.
Q. 3 Comme pour les méthodes de point xe, La convergence de la méthode n'est pas assurée et si il y a convergence le nombre d'itération nécessaire n'est (à priori) pas connu. C'est pourquoi algorithmiquement on utilise une boucle Tantque. On déni alors un nombre maximum d'itérations au delà du quel les calculs itératifs sont stoppés et une valeur ε ą 0 permettant d'arrêter les calculs lorsque x x x rks est susament proche de x ¯
x x. Pour être plus précis, on note rrr rks “ bbb ´ Ax x x rks le résidu. On a alors rrr rks “ A¯ x x x ´ Ax x x rks “ Aeee rks On peut prendre comme critère d'arrêt
› ›rrr rks ›
› }bbb} ď ε ou pour éviter des soucis lorsque }bbb} est proche de zéro,
› ›rrr rks ›
› }bbb} ` 1 ď ε.
Algorithme 1 Méthode itérative de relaxation SOR pour la résolution d'un système linéaire Ax x x “ bbb
Données :
A : matrice de M
np K q , bbb : vecteur de K
n, x x x
0: vecteur initial de K
n, ε : la tolérence, ε P R
`,
kmax : nombre maximum d'itérations, kmax P N
˚w : w Ps0, 2r
Résultat :
X X X : un vecteur de K
n1: Fonction X X X Ð SOR ( A, bbb, x x x
0, ε, kmax , w )
2: k Ð 0, X X X Ð H
3: x x x Ð x x x
0, rrr Ð bbb ´ A ˚ x x x,
4: tol Ð εp}bbb} ` 1q
5: Tantque }rrr} ą tol et k ď kmax faire
6: k Ð k ` 1
7: p p p Ð x x x
8: Pour i Ð 1 à n faire
9: S Ð 0
10: Pour j Ð 1 à i ´ 1 faire
11: S Ð S ` Api, jq ˚ xpjq
12: Fin Pour
13: Pour j Ð i ` 1 à n faire
14: S Ð S ` Api, jq ˚ ppjq
15: Fin Pour
16: xpiq Ð wpbpiq ´ Sq{Api, iq ` p1 ´ wqppiq
17: Fin Pour
18: rrr Ð bbb ´ A ˚ x x x,
19: Fin Tantque
20: Si }rrr} ď tol alors
21: X X X Ð x x x
22: Fin Si
23: Fin Fonction
˛
Exercice 2 (13 points)
Soient px
iq
iPv0,nw, une suite de n ` 1 points de s ´ 1, 1r deux à deux distincts et pω
iq
iPv0,nwune suite de poids réels associés. On considère la formule d'intégration (ou formule de quadrature) élémentaire suivante
ż
1´1
f pxq dx «
n
ÿ
i“0
ω
if px
iq. (1)
L'objectif de cet exercice est de montrer qu'il existe un unique choix de points px
iq
iv0,nwet de poids pω
iq
iPv0,nwtel que la formule (1) soit exacte pour les polynômes de degré 2n ` 1 . On appelle méthode de Gauss-Legendre la méthode d'intégration associée à ce choix particulier de poids et de points.
Le Lemme suivant est admis.
Lemme 2.1: Polynômes de Legendre
Les polynômes de Legendre P
n, n ě 0 sont les polynômes unitaires
ade degré n dénis par
# P
0pxq “ 1, P
1pxq “ x
pn ` 1qP
n`1pxq “ p2n ` 1qxP
npxq ´ nP
n´1pxq, @n P N
˚(2) Ils vérient
ż
1´1
P
npxq P
mpxqdx “
$
’ &
’ %
0 si m ‰ n,
p´1q
npn!q
2p2nq! I
nsi m “ n, (3)
où I
n“ ş
1´1
px
2´ 1q
ndx ‰ 0 . De plus P
nadmet n racines distinctes appartenant à l'intervalle s ´ 1, 1r.
a
on rappelle qu'un polynôme p est unitaire si le coecient associé à son terme de plus haut degré est égal à 1 : il existe k P N tel que ppxq “ x
k` ř
k´1q“0
a
qx
q.
Q. 1 a. En utilisant la formule (3), montrer que la famille E
n“ tP
i, i P v0, nwu
est une famille libre de R
nrX s ( R
nrX s désigne l'ensemble des polynômes de degré (au plus) n à coecients réels).
b. En déduire que la famille E
nest une base de R
nrX s .
c. À l'aide du Lemme 2.1, montrer la relation d'orthogonalité suivante : ż
1´1
QpxqP
npxqdx “ 0 pour tout Q P R
n´1rX s. (4) d. Montrer que P
nest l'unique polynôme unitaire de degré n satisfaisant (4).
Q. 2 Soit π
n`1pxq “ ś
ni“0
px ´ x
iq où les x
isont les points de quadrature intervenant dans la formule (1).
a. Montrer que le polynôme π
n`1est un polynôme unitaire de degré n ` 1 .
b. Montrer que si la formule d'intégration (1) est exacte pour les polynômes de degré 2n ` 1 , alors pour tout Q P R
nrXs, on a
ż
1´1
Qpxqπ
n`1pxq “ 0.
c. En déduire que π
n`1“ P
n`1où P
n`1est le n ` 1 -ième polynôme de Legendre (déni par (2)) et que les points x
isont nécessairement les n ` 1 racines de P
n`1.
Q. 3 Montrer que si la formule d'intégration (1) est vériée pour tout polynôme de degré inférieur ou égal à n , alors
ω
i“ ż
1´1
`
ipxqdx (5)
où `
ipxq “
n
ź
j“0,j‰i
x ´ x
jx
i´ x
jest le polynôme élémentaire de Lagrange.
On note px
iq
iPv0,nwles n ` 1 racines de P
n`1et pω
iq
iPv0,nwles poids dénis par (5).
Q. 4 a. Montrer que la formule (1) est exacte pour tous les polynômes de degré inférieur ou égal à n . b. Soit P un polynôme de degré 2n ` 1 . On sait qu'il existe deux polynômes Q et R appartenant à R
nrXs
(division euclidienne des polynômes) tels que
Ppxq “ Qpxqπ
n`1pxq ` Rpxq.
Utilisez cette décomposition de P pour montrer que la formule (1) est exacte pour les polynômes de degré 2n ` 1 .
Q. 5 (application) a. Pour n “ 1 et en utilisant les résultats précédents, déterminer les points x
0, x
1et les poids w
0, w
1pour que la formule de quadrature élémentaire (1) soit exacte pour les polynômes de degré 3 (i.e. d'ordre 3 ).
b. Soit f : ra, bs ÝÑ R . Déduire de a. la formule élémentaire permettant d'approcher ş
ba
f ptqdt à l'ordre 3.
c. Soit f : rα, βs ÝÑ R . Déduire de b. la formule composée associée à la formule élémentaire précédente permettant d'approcher ş
βα
f ptqdt à l'ordre 3.
Pour n “ 2, la formule de quadrature élémentaire (1) est donnée par ż
1´1
f pxqdx « 5 9 f p´ a
3{5q ` 8
9 f p0q ` 5 9 f p a
3{5q (6)
Q. 6 (algorithme) Ecrire une fonction GaussLegendre2 permettant d'approcher ş
βα
f ptqdt par la formule de quadrature composée associée à (6).
Correction Exercise 2 Q. 1 a. Soit pλ i q iP
J