L’étude de l’exemple de la section précédente a montré qu’une information utile peut être obtenue en prenant la limite n→∞ des deux côtés de la relation xn+1=g(xn). Ceci mène à la définition suivante.
Définition 4.2.
Un réel x∗ est un point fixe de g si g(x∗)=x∗.
Exemple 4.3.
g(x)=1+2x possède un unique point fixe x∗=2.
Exemple 4.4.
g(x)=4x(1−x) possède deux points fixes, x∗1=0 et x∗2=43.
Exemple 4.5.
g(x)=ex ne possède aucun point fixe.
A priori, l’existence ou non d’un point fixe n’est pas forcément reliée au comportement de la suite dans la limite n→∞, mais la recherche de points fixes est un bon point de départ dans l’étude d’une suite définie par récurrence.
Animation explicative
Par exemple, si on sait que g possède un point fixe x∗, et si on utilise ce point comme condition initiale x0:=x∗, alors la suite xn+1=g(xn) est constante: x1x2x3=g(x0)=g(x∗)=x∗=g(x1)=g(x∗)=x∗=g(x2)=g(x∗)=x∗⋮
Ce qui est plus intéressant est d’utiliser la connaissance de points fixes pour guider l’étude de la suite.
Pour commencer, si une condition de régularité est satisfaite par g, alors l’éventail de scénarios possibles pour le comportement de la suite est considérablement réduit:
Animation explicative
Théorème 4.1.
Si une suite définie par récurrence xn+1=g(xn) est convergente, et si g:R→R est continue , alors la limite de xn est un point fixe de g.
Proof
Si xn→L, alors xn+1→L et la continuité de g au point L implique g(xn)→g(L). Donc en prenant la limite n→∞ des deux côtés de la relation xn+1=g(xn), on obtient L=g(L). Donc L est un point fixe de g.
□
Voyons un exemple où la recherche de points fixes est utile dans l’étude de la limite:
Exemple 4.6.
Considérons la suite xn+1=g(xn), avec condition initiale x0=4, et g(x)=2−x1, c’est-à-dire xn+1=g(xn)=2−xn1. Cherchons les points fixes de g: 2−x∗1=x∗⇔(x∗−1)2=0. Donc x∗=1 est l’unique point fixe de g, et c’est a priori un candidat pour la limite. Puisque notre condition initiale est x0=4>1, on peut essayer de voir si la suite décroît. C’est effectivement ce qu’indiquent les premières valeurs: x0x1x2x3x4⋮=4=2−x01=2−41=1.75=2−x11=2−1.751=1.428…=2−x21=2−1.428…1=1.3=2−x31=2−1.3…1=1.230… On a donc un scénario qui semble raisonnable: montrer rigoureusement que la suite converge, puis que sa limite vaut x∗=1. Montrons d’abord que la suite est minorée par 1. Pour la condition initiale, on a x0=4>1. Ensuite, si on suppose que xn>1, alors xn+1=2−xn1>2−11=1. Ceci montre en particulier que xn est toujours bien définie. Ensuite, en calculant xn+1−xn=2−xn1−xn=xn2xn−1−xn2=xn−(xn−1)2⩽0, (on a utilisé le fait que xn>1>0) on voit que (xn) est décroissante. Étant minorée et décroissante, la suite converge: L=n→∞limxn. Puisque toute la suite évolue sur le domaine ]0,+∞[, sur lequel g est continue, on en déduit par le théorème du dessus que L ne peut être qu’un point fixe de g; comme il n’y en a qu’un, x∗=1, on en déduit que L=1.
Informel 4.1.En fait, on a calculé la valeur d’une fraction continue2−2−2−2−2−⋯1111=1
Une fonction continue g peut posséder plusieurs points fixes. Dans ce cas, si la suite converge le théorème ne dit pas vers quel point fixe elle converge. Dans un tel cas, une étude détaillée est nécessaire (voir les exercices). Mais le théorème est utile dans le cas suivant: si g est continue et ne possède pas de point fixe, alors (xn) n’a pas de limite. (En effet, si elle convergeait, alors sa limite serait un point fixe, une contradiction.)
Exemple 4.7.
Considérons une suite (xn) pour laquelle xn+1=xn2+3. Ici, puisque g(x)=x2+3 est continue et n’a pas de point fixe (car l’équation g(x)=x n’a pas de solutions), on en déduit que xn ne peut pas converger, quelle que soit la condition initiale choisie.
Quiz 4.3.1.Soit g:R→R et (an)n⩾0 définie par a0:=1, an+1=g(an). Quelles affirmations sont toujours vraies?