Newton-Raphson avec un dessin

Dans un précédant billet, publié il a quelques mois maintenant, je trouvais dommage que l’on oublie de citer des personnes qui ont introduit des concepts fondamentaux. En l’occurence, je pensais à Bruno de Finetti. En traînant sur Google Books l’autre jour, j’ai eu l’impression inverse, en trouvant dommage que l’on ne se souvienne que de la personne qui a introduit un concept, et pas celui qui en a compris la portée générale. Mais je devrais peut-être revenir un peu sur le contexte.

En travaillant avec un étudiant cet été, on devait résoudre des problèmes d’optimisation (en l’occurence l’estimation de paramètres dans un mélange de lois par maximum de vraisemblance) et je me souviens encore lui avoir dit, “c’est facile, tu programmes une descente de gradient, la méthode de Newton-Raphson, et c’est bon, on réglera l’histoire des contraintes plus tard” (oui, on avait un ensemble – simple – de contraintes qu’on pouvait intégrer en reparamétrant le programme d’optimisation). La méthode de Newton repose sur l’idée que pour trouver le zéro d’une fonction, on utilise une suite définie par récurence,

La fameuse illustration de cette formule étant un dessin de la forme

De là, si on se souvient que la condition du premier ordre pour cherche un extremum d’une fonction revient à annuler la dérivée, on peut utiliser cette méthode pour chercher un extremum, avec une suite définie par

Cette méthode se généralise en dimension quelconque, avec la méthode dite de la descente de gradient

Bref, ces méthodes sont très géométriques. Et j’avais toujours cru que les vieux mathématiciens étaient tous des géomètres. Aussi, j’espérais trouver plein de dessins dans les textes de Newton et Raphson. Mais non….

La méthode de Newton a été introduite par Isaac Newton dans De analysi per aequationes numero terminorum infinitas, écrit en 1669 et publié en 1711. Mais c’est surtout dans De metodis fluxionum et serierum infinitarum, écrit en 1671, traduit (du latin) et publié sous le titre Methods of Fluxions en 1736 que l’on va trouver l’idée de la méthode dite de Newton pour trouver les zéros d’une fonction à valeurs réelles. C’est ce texte que l’on peut trouver en ligne, numérisé. Mais Newton n’a aucunement proposé une méthode générale, car il ne l`appliquait qu’aux seuls polynômes. A sa décharge, la notion de dérivée n’était pas (clairement) définie à cette époque… donc imaginer une descente en suivant la tangente, en 1710, ne serait peut-être pas raisonnable.

C’est Thomas Simpson qui proposa de généraliser cette méthode pour mettre en place une méthode de calcul itératif des solutions d’une équation non linéaire, en utilisant les dérivées (qu’il appelait fluxions, comme Newton).  En 1690,  Raphson publie une description de sa méthode dans Analysis aequationum universalis. Comme Newton, il va proposer une méthode de calcul récursif des approximations successives d’un zéro d’un polynôme (avec une petite nuance, car Newton essayait de construire une suite de polynômes, comme l’expliquent Ypma (1995) ou Deuflhard (2005))

Maintenant, si on regarde les publications, le dessin avec la tangente, on ne le voit pas ! Loin de là ! On voit des pages de calculs algébriques,

Il m’a fallu un certain temps pour découvrir un traité abordant ce problème avec des dessins. Pour les amateurs de mathématiques marseillaises, on peut découvrir un traité rafraîchissant, datant de 1768, publié d’ailleurs par un homme qui allait devenir par la suite maire de Marseille (à l’époque où les hommes politiques faisaient des maths, comme j’en parlais dans un vieux billet, avec une preuve du théorème de Pythagore proposé par un mathématicien amateur, qui allait devenir ensuite Président des États-Unis d’Amérique), monsieur Jean-Raymond Pierre  Mouraille.

Ce traité est passionnant, avec un style d’une autre époque

Mourailles se positionne clairement dans la lignée de Newton, avec quelques bémols toutefois,

Le plus intéressant, ce sont les pages d’annexes, remplies de dessins, où enfin, on peut découvrir le dessin avec la suite définie par récurrence, et la descente le long de la tangente,

Bref, tout le monde pense à ces dessins quand il entend parler de la méthode de Newton-Raphson, même si aucune représentation géométrique n’est présentée.

Je ne sais pas si Jean-Raymond Pierre  Mouraille a le premier a avoir représenté la recherche de zéros d’une fonction de cette manière, mais il est dommage qu’on n’en parle pas plus souvent…


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