Toujours dans les fractales, un peu plus éloigné de Mandelbrot, mais tellement joli : les fractales de Newton ! Le nom de cette fractale vient de la méthode de Newton, inventée par Isaac Newton, le même qui a trouvé les lois de la gravitation dans une pomme.

Fractale de Newton associé au polynôme X³-1
La méthode de NewtonUn pan des mathématiques consiste à faire des calculs exacts, l'autre pan à faire des calculs approchés. Ce deuxième pan, ce sont les méthodes numériques, dans lesquelles on s'amuse généralement à trouver les meilleurs moyen de calculer un tas de décimales de pi ou de

.Prenons le cas de

, qui vaut approximativement 1,4142135... Comment a t-on trouvé cette valeur ? Une façon de retrouver ces décimales est la méthode de Newton.Pour une fonction f donnée (un polynôme, par exemple), la méthode de Newton permet de retrouver ses racines (les x tels que f(x)=0). Le principe de cette méthode est d'approcher la fonction par ses tangentes.Prenons par exemple la fonction f:x->x²-2.

On connait ses racines, c'est

(le point A) et -

(le point A'). On va alors approcher l'un de ses deux points, de manière à avoir toujours plus de décimales.On va alors prendre un point quelconque x
0 et tracer la tangente à la courbe au point (x
0,f(x
0)). On peut alors trouver l'abscisse du point x
1, croisement entre la tangente et l'axe horizontal. En recommençant avec le point x
1, on se rapproche du point A, que l'on recherche.La suite des points x
n se rapproche du point A que l'on cherche, cette suite est donnée par la formule (que l'on trouve par calculs) :

Avec la fonction f:x²-2 et en partant de x
0 = 2, la formule devient

.x
0 = 2x
1 =
1,5x
2 =
1,416666667x
3 =
1,414215686x
4 =
1,414213562En 4 itérations, on a déjà au moins 9 décimales correctes !
Choix des termes initiauxEn partant de n'importe quel valeur x
0 positive, on aboutit après plus ou moins d'itérations à

; si on avait choisit une valeur de départ x
0 négative, on aurait aboutit à -

.On peut séparer les valeurs possibles de x
0 en 3 catégories : celles qui aboutissent à

, celles qui aboutissent à -

et celles qui n'aboutissent nulle part (ici, il n'y a que x
0=0).Prenons à présent la fonction f:x->x³-3x²+2x. Ce polynôme admet 3 racines : 0, 1 et 2.Que se passe t'il lorsque l'on applique la méthode de newton en partant de x
0 = 0,4 ? En partant de x
0 = 0,5 ? En partant de x
0 = 0,6 ? De x
0 = 0,5527 ? De x
0 = 0,55275 ? De x
0 = 0,5528 ?Solutions :x
0 = 0,4 -> 0x
0 = 0,5 -> 2x
0 = 0,6 -> 1x
0 = 0,5527 -> 0x
0 = 0,55275 -> 2x
0 = 0,5528 -> 1En choisissant une couleur par limite possible (0:jaune, 1:vert et 2:bleu), on retrouve quelque chose de fractal !
Les fractales de NewtonIl est temps de passer aux nombres complexes !Prenons à présent la fonction f:x->x³-1. Il ne possède qu'une racine réelle (x=1), donc peu importe le choix de x
0 (réel), utiliser la méthode de Newton amènera vers 1.Mais la méthode de Newton marche également dans le plan complexe, avec des termes initiaux complexes ! Et notre polynôme possède également deux racines complexes : j = -0.5 + i.0.866 et
j = -0.5 - i.0.866.Pour quels x
0 la méthode de Newton nous mènera à x ? Quelles valeurs mènent à j ? Et à
j ?La solution, en image :

On peut également faire la même chose pour d'autres fonctions :

f:x-> x
8 + 15x
4 − 16

f:x->z
5 − 3iz
3 − (5 + 2i)z
2 + 3z + 1
Sources :Images produites par
Xaos (Pas très efficace sur les fractales de type Newton), et empruntées sur
Wikipédia.