Université Catholique de Louvain, PARTIELLES 2. MAT Alphonse Magnus, Institut de Mathématique Pure et Appliquée,

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1 Université catholique de Louvain EQUATIONS AUX DÉRIVÉES PARTIELLES 2 MAT Alphonse Magnus, Institut de Mathématique Pure et Appliquée, Université Catholique de Louvain, Chemin du Cyclotron,2, B-1348 Louvain-la-Neuve (Belgium) (++32)(0)(10)473157, alphonse.magnus@uclouvain.be, http :// http ://

2 MAT2410 EDP Intro. 2 Table des matières Quelques références Introduction Solutions d EDP, caractéristiques. [Courant & Hilbert] Chapitre 1. Équations elliptiques, formulations variationnelles Équations elliptiques et problèmes aux limites Formes coercives, problème de minimisation, méthode de Ritz-Galerkin Formes bilinéaires et opérateurs dans des espaces de Hilbert Relations entre méthodes de projection : Galerkin, etc Chapitre 2. Méthode des éléments finis Introduction et définition Ensembles unisolvants, interpolation Eléments unidimensionnels Éléments bidimensionels Résumé de ce chapitre Chapitre 3. Espaces de Sobolev, convergence Introduction et définitions Propriétés desespaces de Sobolev Coercivité de grad u grad v dx dans H0(Ω) Ω 4. Erreur d approximation de la méthode de Ritz Méthodes d éléments finis non conformes, crimes variationnels Estimation a posteriori ; méthodes adaptatives Chapitre 4. Méthodes numériques d obtention de l approximation de Ritz Élaboration et résolution des équations. Conditionnement Un exemple de traitement en matlab Chapitre 5. Schémas de différences finies : problèmes elliptiques Opérateurs de prolongement et de restriction Approximation d opérateurs. Consistance Solubilité des équations discrètes. Stabilité numérique Méthodes itératives de résolution numérique. Méthodes multigrilles Matrices d inverses positives. Convergence Autres méthodes de traitement du laplacien Décomposition de domaine, complément de Schur, substructuring Conditionnement et méthodes itératives, préconditionnement

3 MAT2410 EDP Intro. 3 Chapitre 6. Schémas de différences finies : problèmes d évolution Equation de la chaleur ; de la diffusion Consistance et stabilité pour problèmes d évolution u/ t + Mu = f Théorème d équivalence de Lax Problèmes d évolution bien posés Classe des équations paraboliques Equations hyperboliques Chapitre 7. Problèmes d évolution : conditions de stabilité numérique Norme matricielle Quelques conditions suffisantes Condition nécessaire de von Neumann Théorème de Kreiss Chapitre 8. Méthodes (pseudo) spectrales Fonctions propres d opérateurs autoadjoints Calcul en représentation spectrale Calcul en représentation ponctuelle Exemples de conditions de stabilité numérique : Index

4 MAT2410 EDP Intro. 4 Le cours passe en revue les principales méthodes de résolution numérique des équations aux dérivées partielles. Il se situe entre des cours consacrés à la théorie de ces équations et de leurs solutions cf. > UCL > Enseignement et formation > Programme d études http ://www INMA 2345 Equations différentielles ordinaires : problèmes aux limites [30], Q2, 3 créd.,? MAT 1321 Analyse fonctionnelle et équations aux dérivées partielles, [45-45], Q1, 8 créd., M. Willem, MATH 2421 Analyse convexe et méthodes variationnelles [30-0], Q1, 3 créd., M. Willem, MATH 2490 Problèmes aux limites pour les EDO et EDP [45-0], Q1, 4,5 créd.,?, MAPA 3037 Méthodes topologiques et variationnelles en analyse [30], Q1 + Q2, 2 créd.,?, M. Willem. et des cours orientés vers des applications spécifiques INMA2715 Calcul scientifique sur ordinateurs parallèles [30-30], Q2, 5 créd., R. Keunings, (pas en ) MECA 2120 Introduction aux méthodes d éléments finis [30-30], Q1, 5 créd., V. Legat, MECA 2170 Conception assistée par ordinateur en génie mécanique [30-30], Q1, 5 créd., V. Legat, MECA 2620 Simulation des phénomènes de transfert dans les procédés industriels [30-10], Q1, 4 créd., F. Dupret, MECA 2660 Méthodes numériques en mécanique des fluides [30-22,5], Q2, 5 créd., G. Winckelmans, PHY2371 Simulation numérique en physique [22.5h+30h exercices],q2, 5 crdits, Eric Deleersnijder, Bernard Piraux Cela ne veut pas dire qu il faut avoir suivi un ou des cours théoriques (cependant vivement recommandés, bien entendu), on établira (ou rappellera, plus ou moins bien) l essentiel des bases théoriques nécessaires. Au fait, le présent cours vaut 4,5 créd. Voir, à ce sujet, extrait de http :// http :// Ce cours a été créé par le Professeur Jean Meinguet qui assura son enseignement jusqu en Au fil des années, l accent fut mis sur les recherches contemporaines en méthodes de résolution de divers problèmes d analyse fonctionnelle appliquée. En 1973, le Professeur Jean Descloux, de l École Polytechnique Fédérale de Lausanne, vint donner à Louvain-la-Neuve un cours sur l analyse mathématique de la méthode des éléments finis, méthode qui commençait alors à être convenablement formalisée. Les notes du Professeur Descloux forment encore l essentiel de la première partie du présent cours. Parmi les pionniers de la méthode, citons Fraeijs de Veubeke, professeur à Liège et Louvain. Par ailleurs, notre Université reçut également les visites de P. Ciarlet et P. Raviart (Paris).

5 MAT2410 EDP Bib 5 Quelques références Livres et articles. R.A. Adams, Sobolev Spaces, Acad. Press, K. Atkinson, W. Han, Theoretical Numerical Analysis, A Functional Analysis Framework, Springer-Verlag, Lectures in Mathematics - ETH Zürich W. Bangerth, R. Rannacher, Adaptive Finite Element Methods for Differential Equations, Birkhäuser Verlag AG, John P. Boyd, Chebyshev and Fourier Spectral Methods, First edition (out of print), Springer- Verlag (1989), 792 pp. Second edition, Dover, New York (2001), 688 pp. The online version is split into two files, in http ://www-personal.engin.umich.edu/~jpboyd/book Spectral2000.html D. Braess, Finite Elements. Theory, Fast Solvers and Applications in Solid Mechanics, 2 nd edition, Cambridge University Press C. Canuto, M.Y. Hussaini, A. Quarteroni, T.A. Zang, Spectral Methods in Fluid Dynamics, Springer, P.G. Ciarlet, The Finite Element Method for Elliptic Problems, North-Holland, L. Collatz, The Numerical Treatment of Differential Equations, 3ème éd., Springer, R. Courant, D. Hilbert, Methods of Mathematical Physics, II, Partial Differential Equations, Interscience, C. Cuvelier, J. Descloux, J. Rappaz, C. Stuart, B. Zwahlen, assistés par G. Caloz : Éléments d équations aux dérivées partielles pour ingénieurs, 2 vol., Presses polytechniques romandes, Lausanne, R. Dautray, J.L. Lions, Analyse mathématique et calcul numérique, vol. 2 : Opérateur de Laplace, vol. 3 : Transformations, Sobolev, opérateurs, vol. 4 : Méthodes variationnelles, vol. 6 : Méthodes intégrales et numériques (chap. XII, Méthodes numériques pour les problèmes stationnaires, chap. XIII, Approximation des équations intégrales par éléments finis), vol. 9 : Évolution : numérique, transport (chap. XX, Méthodes numériques pour les problèmes d évolution), Masson, 1987, C. de Boor, Numerical Functional Analysis, cours CS717, University of Wisconsin-Madison, http :// Brenner, Susanne C., Scott, L. Ridgeway, The Mathematical Theory of Finite Element Methods (Texts in Applied Mathematics Vol 15), 2nd Ed 385 pages, Springer-Verlag New York Inc., Jul Kenneth Eriksson, Donald Estep, Peter Hansbo, and Claes Johnson, Computational Differential Equations, Cambridge U.P., S.K. Godunov, V.S. Ryabenki, Theory of Difference Schemes, North-Holland, D. Gottlieb, S.A. Orszag, Numerical Analysis of Spectral Methods : Theory and Applications, SIAM Reg. Conf. Appl. Math., B. Gustafsson, H.-O. Kreiss, J. Oliger, Time Dependent Problems and Difference Methods, Wiley, Réf. communiquée par C. Delfosse (MAP23, ).

6 MAT2410 EDP Bib 6 E. Hairer, Polycopiés du cours Analyse II, Partie B, fichiers postscript dans http :// en particulier le chap. 2 : Maxima et minima relatifs et calcul de variations. A. Iserles, A First Course in the Numerical Analysis of Differential Equations, Cambridge University Press, C. Johnson, Numerical solution of partial differential equations by the finite element method, Cambridge University Press, J.M.-S. Lubuma, M.K. Luhandjula, D.B. Reddy, éditeurs : Problèmes variationnels en mathématiques appliquées, Annales de la Faculté des Sciences de l Université de Kinshasa, Numéro Spécial 3, A. MacKinnon, Imperial College, Computational Physics 3rd/4th Year Option, http :// Serge Nicaise, Analyse numérique et équations aux dérivées partielles. Cours et problèmes résolus, Dunod, Paris, P. Rabier, J.M. Thomas, Exercices d analyse numérique des équations aux dérivées partielles, Masson, Paris, J. Rappaz, M. Picasso, Introduction à l analyse numérique, PPUR (Presses Polytechniques et Universitaires Romandes), Lausanne, P.A. Raviart, J.M. Thomas, Introduction à l analyse numérique des équations aux dérivées partielles, Masson, Paris, B.D. Reddy, Introductory Functional Analysis, With Applications to Boundary Value Problems and Finite Elements, Springer, R.D. Richtmyer, Difference Methods for Initial-Value Problems, Interscience, New York, 1957 (2ème édition : 1967 : Richtmyer & Morton, Wiley ; réimpression par Krieger en 1994). G. Strang, G.J. Fix, An Analysis of the Finite Element Method, Prentice-Hall, Réimpression récente chez Wellesley-Cambridge Press. R.Temam, Analyse numérique, résolution approchée d équations aux dérivées partielles, PUF, Paris, V. Thomée, From finite differences to finite elements. A short history of numerical analysis of partial differential equations, J. Comp. Appl. Math. 128 (2001) Lloyd N. Trefethen, Finite Difference and Spectral Methods for Ordinary and Partial Differential Equations, unpublished text, 1996, available at http ://web.comlab.ox.ac.uk/oucl/work/nick.trefeth Lloyd N. Trefethen, Spectral Methods in MATLAB, SIAM, O.C. Zienkiewicz, The Finite Element Method in Engineering Science, McGraw-Hill, [Usenet] 0.2. Ressources réseau Usenet, FAQ, KuLeuven, Matlab, Netlib. news :sci.math.num-analysis [FAQ] Numerical Analysis and Associated Fields Resource Guide, by Steve Sullivan (Mathcom, Inc.), http :// où on regardera : Partial Differential Equations (PDEs) and Finite Element Modeling (FEM) PDE and FEM Web Sites Newsgroups for PDE and FEM Books and References for PDE and FEM Comparison of Meshing Software Packages 2 Merci à S. Legrand (PHYS22, ) pour cette référence.

7 MAT2410 EDP Bib 7 PDE and FEM Software on the net Commercial Packages for FEM Steve Sullivan Copyright Mathcom info@mathcom.com Updated : July 12, 2002 [KULeuven] Fast and Robust Solvers for partial Differential Equations, http :// [Matlab] http :// ftp ://ftp.mathworks.com, http :// [Netlib] [Java] : très nombreux programmes, http :// Packages. http :// From : William Schiesser <wes1@lehigh.edu> Date : Sun, 08 Feb :16 : Subject : Java ODE/PDE Routines The Java ODE/PDE routines in the book Ordinary and Partial Differential Equation Routines in C, C++, Fortran, Java, Maple and Matlab, CRC Press, 2004, have been slightly revised and reorganized so that the applications are now in single, self-contained subdirectories. Information for acquiring these routines and all of the others in the book (gratis) is available from : http :// [AFEPack] From : W. B. Liu <W.B.Liu@ukc.ac.uk> Date : Mon, 12 May :46 : (BST) Subject : Availability of Adaptive Finite Element Library We are delighted to announce the availability of the finite element library AFEPack 1.6 to the numerical analysis community. AFEPack is a generic C++ adaptive finite element library. Comparing with the existing finite element libraries, its contribution is twofold : First, it introduces a framework of multi-meshes. That means you can approximate multivariables using very different adaptive meshes, and this could save significant computational work. This feature is particularly important when these variables have very different computational difficulties. Second, you can easily build very flexible finite element spaces with AFEPack. The package has been tested on elliptic problems, parabolic problems, flow problems, and several optimal control problems. Detailed documents are included with the package. AFEPack 1.6 now can be downloaded from http :// or obtained by sending an to w.b.liu@ukc.ac.uk. The document now can browsing at http :// /AFEPack Dr. R Li School of Mathematics Peking University, China rli@math.pku.edu.cn Prof. WB Liu CBS & IMS University of Kent Canterbury, CT2 7PE UK w.b.liu@ukc.ac.uk [AMGToolbox] From : Jane Cullum <cullumj@lanl.gov> Date : Fri, 11 Jul :56 : (MDT) Subject : Algebraic Multigrid MATLAB Code The following Software is available for informal distribution. The code assumes some familiarity with basic algebraic multigrid algorithms. It is being made available as is. Name of Software : AMGToolbox

8 MAT2410 EDP Bib 8 Description of Software : AMGToolbox is a research tool for experimenting with various ideas for algebraic multigrid algorithms. It provides the infrastructure for testing various ideas for the different components of a typical algebraic multigrid (AMG) algorithm : 1. the Coarse/Fine split of variables 2. the construction of Prolongation and Restriction Operators 3. the construction of the Coarse Problems at each level of the AMG hierarchy. 4. the use of different Smoothers It provides simple software tools for automatically collecting the results of sets of experiments over user-specified choices of parameters, and for generating corresponding tables of results as Tex files for use in talks and papers. AMGToolbox is written in the prototyping language, MATLAB. Authors : Menno Verbeek Jane Cullum Wayne Joubert [AWFD] Date : Wed, 6 Aug :06 : Summary : A new C++ class library for wavelet based solvers for PDEs and integral equations. We are announcing the availibility of our AWFD (Adaptivity, Wavelets & Finite Differences) software package. It is a C++ class library for wavelet/interpolet-based solvers for PDEs and integral equations. The main features of AWFD are : * Petrov-Galerkin discretizations of linear and non-linear elliptic and parabolic PDE (scalar as well as systems) * Adaptive sparse grid strategy for a higher order interpolet multiscale basis * Adaptivity control via thresholding of wavelet coefficients * Multilevel lifting-preconditioner for linear systems * Dirichlet and Neumann boundary conditions. It consists of : 1. MATLAB functions for the generation of wavelet filter masks 2. Data structures for uniform, level-adaptive and fully adaptive trial spaces (i.e. grids) 3. Algorithms for the initialization and refinement of adaptive grids 4. Algorithms for (adaptive) wavelet transforms, finite difference- /collocation-/galerkin-discretizations 5. Linear algebra 6. Solvers / preconditioners 7. IO functions with interfaces to e.g. MATLAB or VTK The software can be downloaded from : http ://wissrech.iam.uni-bonn.de/research/projects/awfd/index.html Department of Scientific Computing and Numerical Simulation University of Bonn Germany [Chalmers] http :// Chalmers finite element centre [CONCEPTS] Date : Fri, 27 Aug :44 : Subject : Concepts Released We proudly announce the initial public release of CONCEPTS [1] under the Open Source license GPL. CONCEPTS is a C++ class library for solving elliptic partial differential equations (PDEs) numerically. http ://

9 MAT2410 EDP Bib 9 [Deal] From : Guido Kanschat <guido.kanschat@iwr.uni-heidelberg.de> Date : Fri, 07 Jan :37 : Subject : Deal, Finite Element Library Version 5.1 of the deal.ii object-oriented finite element library has been released. It is available from the deal.ii home-page at http :// All main features of the previous versions have been continued and improved : - Support for dimension-independent programming - Extensive documentation and working example programs - Locally refined grids - A zoo of different finite elements - Fast linear algebra - Built-in support for symmetric multi-processing (SMP) - Output for a variety of visualization platforms. deal.ii can be downloaded for free and is distributed under an Open Source license. [FEMLAB] http :// Date : Thu, 17 Jul :47 : , http :// FEMLAB notre nouveau Tour CD 2003 est disponible, qui compile les derniers modéles disponibles avec FEMLAB dans les domaines suivants : - Acoustique, - CFD, - Matériaux, - Diffusion-réaction, - Electromagnétisme, - Electrostatique, - Couplage multiphysique, - Génie électrochimique, - Transport réactifs, - Dynamique des fluides couplée (électrostatique, transferts de chaleur...), - Propagation d ondes électromagnéiques, - Quasi-statique en électromagnétisme, - Poutres et plaques, - Couplages multiphysiques en mcanique (PAC, piezo). Si vous souhaitez recevoir ce CD (gratuitement), merci de laisser vos coordonnes précises sur : http :// FEMLAB est un environnement de modélisation multiphysique de problèmes 1D, 2D et 3D, complètement intégré à MATLAB, utilisé en recherche, ingénierie et enseignement. Des démonstrations animées sont accessibles sur http :// besoin d une solution rapidement? http :// Date : Mon, 22 Dec :27 : Subject : New Version of FEMLAB Today we announce the release of FEMLAB 3 the next generation of the popular multiphysics modeling software. Visit our web pages for more about FEMLAB 3. Take this opportunity to order a free copy of the new product catalog and a free copy of the Spring Tour CD : http :// form.php FEMLAB is used in research, product development and teaching, in such fields as : - Acoustics - Antennas - Bioscience - Bioengineering - Chemical reactions - Diffusion - Ecology - Electromagnetics - Environmental science - Fluid dynamics - Fuel cells - Geophysics - Heat transfer - Math/Applied PDEs - MEMS - Microwave engineering - Nanotechnology - Optics and photonics - Physics - Porous media flow - Quantum mechanics - Radio frequency components - Semiconductor devices - Structural mechanics - Transport phenomena - Wave propagation - Any combination of the above Best regards, Seema Khan COMSOL, Inc [FIDISOL/CADSOL] http :// FIDISOL/CADSOL is a program package for the solution of partial differential equations. 2- and 3-dimensional systems of elliptic (stationary) and parabolic (time-dependent) equations can be

10 MAT2410 EDP Bib 10 solved. The boundary conditions may be arbitrary. The solution method is the finite difference method. More information is available on the web site : http :// [GeoFEM] From : Kengo Nakajima nakajima@tokyo.rist.or.jp Date : Thu, 12 Jun :58 : Subject : GeoFEM Parallel FEM Platform Dear Colleagues, RIST (Research Organization for Information Science & Technology, Japan) has released the GeoFEM ver.6.0, a parallel finite element platform. GeoFEM has been developed as the part of the Japanese national project, Parallel Platform for Large Scale Solid Earth Simulation funded by Special Promoting Funds of Science & Technology of the Ministry of Education, Science and Technology (MEXT), Japan which has been conducted since The project just completed in the end of March, Ver.6.0 is the final version of GeoFEM platform. GeoFEM includes parallel finite element codes for linear/nonlinear solid mechanics and thermal fluid simulations, parallel iterative linear solver library, partitioning subsystem, parallel visualization subsystem and utilities for parallel I/O and coupling of multiple codes. GeoFEM is originally developed for solid earth simulation but applicable for various types of engineering and science applications. Users also plug-in their own FEM codes to GeoFEM platform and can develop parallel FEM code easily. GeoFEM is written in Fortran 90 and MPI (part of visualization/utility subsystems in C and C++) and can work on various types of platforms from LINUX clusters with Intel Fortran to massively parallel computers. Researchers and engineers interested in GeoFEM can get information at the following website : http ://geofem.tokyo.rist.or.jp/ Source files of the entire codes, example input/output files and documents can be downloaded from : http ://geofem.tokyo.rist.or.jp/download en/ GeoFEM will be inherited by a new project, HPC Middleware (HPC-MW, http ://hpcmw.tokyo.rist.or.jp/) under a national project, Frontier Simulation Software for Industrial Science (http :// by MEXT, Japan. Various kinds of technologies developed in GeoFEM project will be available in HPC-MW. [GETFEM] From : Yves Renard <Yves.Renard@insa-toulouse.fr> Date : Mon, 27 Mar :57 : Getfem is released. The Getfem++ project focuses on the development of a generic and efficient C++ library for finite element methods elementary computations. The goal is to provide a library allowing the computation of any elementary matrix (even for mixed finite element methods) on the largest class of methods and elements, and for arbitrary dimension (i.e. not only 2D and 3D problems). A generic framework is proposed for assembly procedures making very easy to write finite element discretization for arbitrary terms even for non-linear partial differential equations. A Matlab and Python interface is also provided.

11 MAT2410 EDP Bib 11 This is a major update to getfem++, which make some backward-incompatible changes. Major changes are : - Full support of vectorial and hermite elements (RT0, nedelec elements, Argyris triangle, HCT triangle and hermite elements in dimension 1, 2 and 3 are now available). A bilaplacian problem is provided as a test program. - New tools to deal with Xfem or fictitious domain methods : Level-set, integration methods adapted to discontinuity and singularities, discontinuous fields across a level-set. - A mature model-brick system : a fast way to build PDE problems approximation. - Partial parallelization (work still in progress). - Mesh refinement. The package is freely available at the Web address : http ://www-gmm.insa-toulouse.fr/getfem [GMM] [GrAL] [IFISS] Date : Mon, 15 Sep :18 : Subject : GMM++, A Generic C++ Matrix Library GMM Available for Download This generic matrix library is built as an interface for already existing class of vectors and matrices. It provides also predefined type of dense, skyline and sparse matrices. It is largely inspired from MTL/ITL but we hope a little bit simpler to use. matrix x matrix multiplication works for any type of matrices (even with mixed types). An important extension is the possibility to access to sub-matrices for read or write operations with any kind of interfaced matrix. Linear solvers has been imported from ITL (CG, BICGSTAB, GMRES, QMR, dense LU,...) with classical preconditionners (Incomplete cholesky, ILU, ILUT...) The performance is comparable with the one of MTL, slightly better on some solvers we optimized. Inpout / output with standard formats is also provided. This library is available under LGPL licenseand may be downloaded at : http ://www-gmm.insa-toulouse.fr/getfem/gmm intro A short documentation exists. Yves Renard (renard@insa-toulouse.fr) Dept de Mathematiques, INSA de Toulouse Complexe Scientifique de Rangueil Toulouse Cedex, FRANCE http ://www-gmm.insa-toulouse.fr/~renard From : Guntram Berti berti@ccrl-nece.de Date : Wed, 27 Feb :46 : Subject : Grid Algorithms Library GrAL Grid Algorithms Library version 0.2 now available at http :// GrAL is a generic library for grid (mesh) data structures and algorithms operating on them. Its contribution is twofold : First, it introduces a framework for decoupling algorithms from grid data structures, much like the C++ STL does for linear sequences. Second, it offers implementations of generic grid-related algorithms and data structures. GrAL is open source. It is written in standard C++, and has been tested with g , 2.96 and 3.0.x on Linux platforms. Enjoy! Guntram Berti From : Alison Ramage <alison@maths.strath.ac.uk> Date : Wed, 4 May :13 : (BST) Subject : IFISS, Incompressible Flow and Iterative Solver Software

12 MAT2410 EDP Bib 12 We are pleased to announce the availability of Incompressible Flow & Iterative Solver Software (IFISS) Version 2.0. This is an open-source Matlab software package that is associated with the forthcoming book Finite Elements and Fast Iterative Solvers with applications in incompressible fluid dynamics by Howard C. Elman, David J. Silvester, and Andrew J. Wathen (see http :// for further details). The IFISS software can be used to generate typical linear systems arising from finite element discretisations of four important PDE applications : diffusion, convection-diffusion, Stokes flow and Navier-Stokes flow problems. It has built-in multigrid and Krylov subspace solvers and includes a variety of appropriate preconditioning strategies for each problem. We have used early versions of the software to suport technical workshops we have given in the last decade on fast solvers for incompressible flow problems. Key features include - implementation of a variety of mixed finite element approximation methods - automatic calculation of stabilization parameters where appropriate - a posteriori error estimation - a range of preconditioned Krylov subspace solvers (including MINRES and BICGSTAB(ell)) - a builtin geometric multigrid solver/preconditioner - an interface to the algebraic multigrid solver of FEMLAB (see http :// - useful visualisation tools. IFISS has been tested under Matlab Versions 5.3 to 7.0 and can be run under Windows, Unix and Mac architectures. The library is free software which can be redistributed and/or modified under the terms of the GNU Lesser General Public License as published by the Free Software Foundation. It can be downloaded from http :// http :// David Silvester, Howard Elman and Alison Ramage. [NetSolve] NA Digest Sunday, August 5, 2001 Volume 01 : Issue 29 From : Jack Dongarra dongarra@cs.utk.edu Date : Fri, 03 Aug :52 : Subject : NetSolve Version 1.4 Available NetSolve grid based software system, version 1.4 is now available. The software can be downloaded from : http ://icl.cs.utk.edu/netsolve The NetSolve project is being developed at the University of Tennessee s Innovative Computing Laboratory. The system provides NetSolve-enabled programs with transparent network access to computational resources via its many client application programming interfaces or APIs. In this version, client programs implemented in C, Fortran, Matlab and Mathematica can access the NetSolve system and the hardware and software services it provides. These services include sophisticated numerical solvers from libraries like LAPACK, ScaLAPACK, PETSc, Aztec, SuperLU, etc. Facilities are available for creating new NetSolve services. All components have been tested on a variety of UNIX operating systems, including Linux, AIX, Irix, OSF, and Solaris. A client interface is available for the Microsoft Windows 2000 platform. There is a test grid deployed worldwide for experimentation that is accessible by anyone who has installed the new client interface. See http ://icl.cs.utk.edu/netsolve for further details and documentation. From : Jack Dongarra <dongarra@cs.utk.edu> Date : Tue, 14 Oct :08 : Subject : New Version of NetSolve New Release of NetSolve/GridSolve Version 2.0 A new and more powerful version of the well-known grid middleware NetSolve/GridSolve has just been released. NetSolve 2.0, like its predecessors, is a client-server-agent system that enables

13 MAT2410 EDP Bib 13 users to solve complex scientific problems remotely using distributed resources on a computational grid. The system provides users access to both hardware and software computational resources distributed across a network. When a user submits a problem to the NetSolve agent, the agent searches the network of computational resources that has registered with it, chooses the best one (or set) available, solves the problem, and then returns the solution to the user. Load balancing for good performance and retry for fault-tolerance are handled automatically by the system. Version 2.0, which builds on NetSolve s traditional strengths, adds capabilities and robustness both to NetSolve s native environment and to its integration with other grid middleware, such as Condor-G. NetSolve s traditional strengths are its ease-of-use and its broad support for critical numerical software packages. For ease-of-use, NetSolve bindings exist for the most common scientific programming environments ; Fortran, C, Matlab, Mathematica. Moreover, many of the most important numerical and scientific libraries (e.g. Linear Algebra, Optimization, Fast Fourier Transforms) are easily integrated into the NetSolve server software, and users can also add their own special libraries. Finally, NetSolve has been designed to avoid restrictions on the type of software components that can be integrated into the system, and users with various types of applications have been able to incorporate their own packages into NetSolve with relative ease. Version 2.0 enhances these basic capabilities in two directions. There are enhancements to Net- Solve s native environment to make it even easier to use, more capable, and more secure. And there are additions to NetSolve that enable it to more easily interoperate with, and leverage the power of, other leading grid environments. The most notable feature of the latter is the incorporation of GridRPC into NetSolve ; this expanded version of the NetSolve environment is called GridSolve. Grid RPC is an evolving standard from the Global Grid Forum (GGF). NetSolve 2.0 is an open source package and can be freely downloaded from the ICL Web site http ://icl.cs.utk.edu/netsolve/ Funding for the NetSolve effort is provided by grants from the National Science Foundation (NSF) through the NPACI and the NMI programs and the Department of Energy (DOE) through the MICS effort. [OFELI] From : Rachid Touzani Rachid.Touzani@math.univ-bpclermont.fr Date : Mon, 14 May :59 : Subject : Object Finite Element LIbrary A stabilized version of the OFELI library is now available. OFELI (Object Finite Element LIbrary) is a library (or a toolkit) of C++ classes to build up finite element codes. The package contains numerous simple and less simple examples of finite element codes using OFELI. A significant documentation (html and pdf formats) is provided. OFELI is free but Copyrighted software. It is distributed under the terms of the GNU General Public License (GPL). The home page for the library is http ://ofeli.sourceforge.net A UNIX or Windows version can be downloaded from there. To obtain further information contact : Rachid.Touzani@math.univ-bpclermont.fr [OpenFEM] From : Dominique Chapelle Dominique.Chapelle@inria.fr Date : Wed, 05 Nov :03 : Subject : New Version of OpenFEM This is to announce the new version (1.1) of OpenFEM, an opensource finite element toolbox for Matlab and Scilab. This is the first release of the toolbox in which a Scilab version is included. More detailed information (and downloads) at http :// D. Chapelle (INRIA-Rocquencourt) [PDE Portal] From : Are Magnus Bruaset mailto :amb@nobjects.com Date : Mon, 20 Aug :43 : Subject : Web Portal for PDE-related Sites Numerical Objects is pleased to announce the first release of its PDE Portal at http ://

14 MAT2410 EDP Bib 14 This is a searchable and categorized index to several hundreds of high quality web sites focusing on technologies for partial differential equations. We hope that this complimentary service will become a valuable tool for the PDE community, and we invite you to check it out. In order to continuously improve the contents of the PDE Portal, we encourage your submissions for non-listed PDE sites that might of general interest to the public. Procedures for submission is available at Best regards Are Magnus Bruaset Numerical Objects AS [PETSc] From : Barry Smith bsmith@mcs.anl.gov Date : Fri, 13 Apr :36 : (CDT) Subject : Release of PETSc Portable, Extensible Toolkit for Scientific Computation (PETSc) http :// We are pleased to announce the release of the PETSc parallel software libraries for the implicit solution of PDEs and related problems. As always, please send bug reports, questions, and requests for new features to petsc-maint@mcs.anl.gov. Thanks for your continued support. The PETSc developers, Satish, Kris, Bill, Dinesh, Lois, and Barry From : Barry Smith <bsmith@mcs.anl.gov> Date : Sun, 28 Dec :04 : Subject : PETSc 3.0 release We are pleased to announce the release of PETSc 3.0 ; parallel software libraries for the implicit solution of PDEs and related problems involving sparse matrices. Major improvements include * PETSc modules and interface definitions for use from Fortran 90 * A much improved interface for using external direct solver packages including : MUMPS, SuperLU DIST, PLAPACK and Spooles * A brand new Python interface (developed by Lisandro Dalcin) * An implementation of the Yand and Brent variant of Bi-CG-stab that requires a single parallel synchronization step per iteration * Preliminary support for unstructured meshes. The Sieve interfaces allows creation, manipulation, and output of unstructured meshes in any dimension (developed by Matt Knepley and Dmitry Karpeev) The software is available at http :// Changes and additions are listed at http :// As always, please send bug reports, questions, and requests for new features to petsc-maint@mcs.anl.gov Thanks for your continued support. The PETSc developers, Satish, Lisandro, Matt, Dmitry, Victor, Barry, Bill and Hong [PLTMG] From : Randy Bank reb@sdna1.ucsd.edu Date : Wed, 31 Mar :31 : Subject : PLTMG 9.0 Available PLTMG 9.0 is a package for solving elliptic partial differential equations in general regions of the plane. It is based on continuous piecewise linear triangular finite elements. PLTMG features several adaptive meshing options and an algebraic multilevel solver for the resulting systems of linear equations. PLTMG provides a suite of continuation options to handle PDEs with parameter dependencies. It also provides options for solving several classes of optimal control and obstacle problems. The package includes an initial mesh generator and several graphics packages. Support for the Bank-Holst parallel adaptive meshing paradigm is also provided.

15 MAT2410 EDP Bib 15 PLTMG is provided as Fortran (and a little C) source code, in both single and double precision versions. The code has interfaces to X-Windows, MPI, and Michael Holst s OpenGL display tool SG. The X-Windows, MPI, and SG interfaces require libraries that are NOT provided as part of the PLTMG package. PLTMG is available from uetlib, Mgnet, and my homepage : http ://scicomp.ucsd.edu/~reb/ Randy Bank University of California, San Diego

16 MAT2410 EDP Intro. 16 Introduction. 1. Solutions d EDP, caractéristiques. [Courant & Hilbert] 1.1. Premiers exemples. Si l évolution d une masse ponctuelle est susceptible d être décrite par des équations différentielles ordinaires, un milieu étendu demande des équations aux dérivées partielles. Comme exemple de passage d un type de description à l autre, considérons une étendue fluide soumise à des forces diverses. Tout d abord, on voit le fluide comme une collection de particules dont on étudie le mouvement (Lagrange) : la kème particule a une vitesse v k qui vérifie ρ k dv k dt = f k, f k étant la force par unité d étendue qui s exerce sur la particule (gravité, pression, autres particules,... ). On a donc un grand système d équations différentielles ordinaires. Mais si on désire examiner ce qui se passe en un point (x, t), t + δ t traj. de la kème part. x x + vδ La valeur de v en un point (x+h, t+δ) proche de (x, t) est v + h v x + δ v. Nous ne pouvons apprécier que l accélération de t particules sur leurs propres trajectoires, donc prendre h = vδ, et nous savons que v augmente alors de δ dv, avec l expression dt de dv dt vue plus haut, d où ( ρ v v x + v ) = f t (Euler). A plus d une variable spatiale, on a ( ) v i ρ v j + v i = f i x j t pour chaque composante v i de la vitesse. j Autre exemple (J.M. Cooper, Introduction to Partial Differential Equations with MATLAB, Birkhauser, 1998) : le kème automobiliste adapte sa vitesse ẋ k selon une fonction décroissante de la densité (nombre d autos par km) d autos sur la route : ẋ k = f(ρ k ). Comment la densité ρ va-t-elle évoluer dans le temps à partir d une configuration initiale donnée ρ(x, 0) sur un segment de route? La variation de ρ est dρ = ρ t 1 ρ k = est devenu x k+1 x k [ ρ ρ dt + x dx = ρ + f(ρ) t x 1 après un temps dt, ou encore x k+1 + f(ρ k+1 )dt x k f(ρ k )dt ] dt en suivant la kème voiture ; d autre part,

17 MAT2410 EDP Intro ρ 1 k dt ρ + dt f ρ k f (ρ k ) ρ k, où ρ k = ρ k+1 ρ k ρ 1 k ρ/ x (dérivée spatiale de ρ multipliée par la distance entre deux voitures). Il (ρ k ) ρ k k reste ρ t + F (ρ) ρ = 0, (1) x où F (ρ) = ρf(ρ) est le débit (nombre de voitures par heure) en un point (x, t). Diffusion des euros. (Voir http :// Un modèle très simple. Des acteurs a 1, a 2,..., a N répartis sur la droite réelle constatent la décroissance avec le temps de la proportion de monnaie indigène (ou autochtone) qu ils détiennent. On note y i (t) la proportion détenue par a i au temps t. Soit t 0 le temps moyen d échange de toute la monnaie d un acteur avec ses deux voisins, donc, 1 y i (t + t 0 ) = y i 1(t) + y i+1 (t) (2) 2 L/2 L/2 avec initialement y x i (0) = 1 sur un intervalle de longueur L et y i (0) = 0 ailleurs (il ne sagit que de la proportion de ailleurs ici ailleurs monnaie du pays considéré, la quantité d argent détenue par les gens ne change pas 3 ). On a aussi y i (t + t 0 ) y i (t) = y i 1(t) 2y i (t) + y i+1 (t) 2 ou encore y i (t + t 0 ) y i (t) = d2 0 y i 1 (t) 2y i (t) + y i+1 (t) t 0 2t 0 d 2 0 si d 0 est la distance moyenne entre deux acteurs. Les quotients ainsi mis en évidence sont proches de dérivées : 1 y(x, t) t x = σ 2 y(x, t) x 2, σ = d2 0 2t 0 (3) Au temps t > 0, la distribution uniforme confinée au pays ailleurs ici ailleurs d origine s est affaisée et a quelque peu envahi les pays voisins. La proportion encore disponible dans le pays d origine (c est la valeur la plus facile à mesurer) est donnée par la partie hachurée Y (t) = 1 L L/2 L/2 y(x, t) dx 3 Mais alors, à quoi sert l argent???

18 MAT2410 EDP Intro F (σt/l 2 ) F 2 (σt/l 2 ) Cette moyenne nationale décroît avec t selon une fonction universelle F de (σ/l 2 )t que nous verrons plus loin, au chapitre 6, page σt/l 2 (σ/l 2 )t F ((σ/l 2 )t) F 2 ((σ/l 2 )t) (Au fait, en appliquant directement (2), on obtient Y = k 1 2k 2 4k d 0 π 2t d 0 t 0 π 4σ t d 0 L après 2k pas de temps, si d 0 << L Cela donne 1 L = 1 L = 1 L 2 π pour (σ/l2 )t petit). Pour un rectangle, on obtient Y 1 (t)y 2 (t) = F ((σ/l 2 1)t)F ((σ/l 2 2)t), avec les longueurs L 1 et L 2 des deux côtés. Avec un rectangle, on peut déjà respecter le rapport superficie/longueur de frontière d un pays (N.B. : frontière commune avec l Euroland!). Et tenir compte du nombre moyen de connexions (monétaires) entre les agents et leurs voisins. Avec d 0 1 km (distance moyenne au supermarché ou à la pompe la plus proche, L une centaine de km, et t 0 1 mois, on s attend à quelques millièmes pour σ/l 2. date BEL. NED. LUX 1 fév mar avr mai juin juil aoû sep oct nov dec jan feb mar avr mai juin juil août Une énorme documentation portant sur des mesures effectuées par des centaines de gens aux Pays- Bas et en Belgique (du nord...) est rassemblée à http :// On y voit, parmi d autres informations disponibles, la répartition des monnaies en Belgique, aux Pays-Bas et au Luxembourg 4 en fonction du temps. On en estime très approximativement le σ/l 2 de la Belgique et des Pays-Bas à et mois 1, et à 0.01 mois 1 pour le Luxembourg. Suite p. 160 BE t Jan. 1 Jul. 1 Jan. 1 Jul. 1 Jan. 1 Jul Chiffres communiqués 2002 par la2003 famille de T. Hitzky (MATH22, 2002) NL 1 Jan t 1 Jul. 2003

19 MAT2410 EDP Intro Problème de Cauchy. Une équation aux dérivées partielles (EDP), ou un système de telles équations, étant une ou plusieurs relations entre une ou des fonctions de plusieurs variables et certaines de ses (ou leurs) dérivées partielles, on peut chercher à se ramener à un problème d équation différentielle ordinaire. Pour fixer les idées, soit une équation du premier ordre pour une fonction de deux variables : F (u, p, q, x, y) = 0, p = u x, q = u y. (4) Peut-on déterminer u(x 1, y 1 ) à partir d une valeur de départ u(x 0, y 0 )? Normalement non : soit L = {x = λ(s), y = µ(s), s 0 s s 1 } un arc d extrémités (x 0, y 0 ) et (x 1, y 1 ). Sur L, la dérivée du ds = pλ + qµ n est pas déterminée puisque (4) ne donne qu une relation entre p et q au lieu de donner p et q en fonction de x, y et u. Cependant, si (4) est linéaire en p et q (équation quasi-linéaire) α(x, y, u)p + β(x, y, u)q + γ(x, y, u) = 0, (5) on voit que l on a une équation différentielle ordinaire du ds = κ(s) γ(λ(s), µ(s), u) sur toute courbe C = {x = λ(s), y = µ(s)}, de tangente alignée sur (α, β) : λ (s) = κ(s) α(x(s), y(s), u), µ (s) = κ(s) β(x(s), y(s), u) sur C (courbe caractéristique), où κ est une fonction arbitraire. On peut donc déterminer u(x, y) à partir de la valeur de u en un point de la courbe caractéristique passant par (x, y). Pour déterminer u dans une région, il faut partir des valeurs de u en différents points situés sur des courbes caractéristiques différentes donner u sur une courbe C 0 n ayant nulle part de tangente commune avec une courbe caractéristique (problème de Cauchy). Une courbe caractéristique est donc une courbe ne pouvant servir en aucun point de courbe de départ pour le problème de Cauchy. On dit aussi que les courbes caractéristiques sont les lieux de propagation des discontinuités (physiques, numériques) des solutions. Exercices. Résoudre 2 u/ x + 3 u/ y = 0 sachant que u(x, 0) = 0 sur x < 0 et u(x, 0) = 1 sur x > 0 (fonction échelon). La solution générale de α u/ x+β u/ y = 0 est u(x, y) = ϕ(βx αy), où ϕ est une fonction arbitraire d une variable. Résoudre l équation de Burgers sans viscosité u/ t + u u/ x = 0 avec u(x, 0) = 0 sur x 0, u(x, 0) = x/ε sur [0, ε] et u(x, 0) = 1 sur x ε. Remarquez que, comme γ = 0, u est constante sur chaque caractéristique. Que se passe-t-il quand ε 0? u(x, 0) u(x, 0.5) u(x, 1) x 0.5 x 1 x

20 MAT2410 EDP Intro. 20 On voit donc apparaître très naturellement des fonctions non dérivables (solutions généralisées), on reviendra sur la nécessaire extension du cadre fonctionnel au delà de C 1... Pour l équation (1), on a ρ = constante sur les droites caractéristiques x = t F (ρ)+ constante... tant que ces caractéristiques ne se rencontrent pas! Par exemple, vitesse de propagation du front d un bouchon : si ρ = ρ max en x = x 0 lorsque t = 0, où f(ρ max ) = 0, ρ = ρ max en x = x 0 + F (ρ max ) t au temps t. Il existe des méthodes numériques de résolution de (4) ou (5) utilisant les courbes caractéristiques, mais on étudiera plutôt ici des méthodes de détermination de u sur des points d une grille donnée. Une équation du premier ordre à n variables : on a toujours des courbes caractéristiques, le problème de Cauchy consiste à donner u sur une (hyper)surface (variété de dimension n 1). Plusieurs équations du premier ordre à n variables : si n > 2, on peut avoir des surfaces caractéristiques, cf. chap. 6. Pour des EDP d ordre deux, le problème de Cauchy consiste à déterminer u à partir de ses valeurs et des valeurs de sa dérivée normale sur une courbe C 0 (la dérivée tangentielle sur C 0 étant connue si u est connue). Mais les problèmes de physique mathématique se ramènent-ils toujours à un problème de Cauchy? 1.3. Un exemple exemplaire : équation de la membrane. Voici un exemple de dérivation (pas très propre) d une EDP du second ordre en physique mathématique, qui ne se résout pas par propagation le long de caractéristiques. z T ρdθ x Ω ρ wdσ y ρ r T ρdθ Soit une membrane initialement tendue sur un domaine Ω de R 2, maintenue sur le bord Ω, soumise à une tension T par unité de longueur. On impose une charge de densité w tournée vers le bas. Sous l effet de cette charge, la membrane se déforme en se courbant, ses points se placent sur une surface d équation z = u(x, y). On suppose w suffisamment petite pour que u et ses dérivées partielles restent petites (élasticité infinitésimale). Du fait de la courbure de la membrane, les tensions s exerçant sur un fragment d aire dσ prennent une composante verticale devant compenser exactement la charge w(x, y)dσ. Exprimons ce fait : la section formant un angle θ avec l axe des x d un petit disque de rayon ρ a pour équation z = ũ(r) := u(x + r cos θ, y + r sin θ). Les tensions en r = ±ρ ont des composantes verticales T ρdθũ (±ρ), d où une résultante verticale T ρdθ(ũ (ρ) ũ ( ρ)) 2T ρ 2 dθũ (0).