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1 ÉQUATIONS AUX DÉRIVÉES PARTIELLES, SOLUTIONS CLASSIQUES. DIFFÉRENCES FINIES. Alexandre Popier Université du Maine, Le Mans A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 1 / 52
2 PLAN DU COURS 1 FORMULES DE GREEN 2 ÉQUATION DE LAPLACE Domaine R d tout entier Domaine borné 3 ÉQUATION DE LA CHALEUR Domaine R d tout entier Domaine borné 4 MÉTHODE DES DIFFÉRENCES FINIES Étude d un exemple en dimension 1 Remarques en dimension supérieure à 2 Équation de la chaleur A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 2 / 52
3 PETIT LEXIQUE. DÉFINITION Une équation aux dérivées partielles (EDP en abrégé) est une équation faisant intervenir une fonction inconnue de plusieurs variables ainsi que certaines de ses dérivées partielles. On appelle ordre d une EDP l ordre de la plus grande dérivée présente dans l équation. Une EDP est linéaire si l équation est linéaire par rapport aux dérivées partielles de la fonction inconnue. EXEMPLE L équation de Black-Scholes v(t, x) t est une EDP linéaire d ordre σ2 x 2 2 v(t, x) v(t, x) x 2 + rx rv(t, x) = 0, x A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 3 / 52
4 CLASSIFICATION SOMMAIRE. EDP d ordre 2, linéaire, à deux variables : DÉFINITION a 2 u x 2 + b 2 u x y + c 2 u y 2 + d u x + e u + fu = g. y L équation est elliptique si b 2 4ac < 0, parabolique si b 2 4ac = 0 et hyperbolique si b 2 4ac > 0. EXEMPLE L EDP de Black-Scholes ou l équation de la chaleur sont paraboliques. L équation de Laplace u = d i=1 2 u x 2 i = 0 sur un ouvert Ω R d, est elliptique. A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 4 / 52
5 CONDITIONS AUX LIMITES. DÉFINITION On appelle problème aux limites une équation aux dérivées partielles munie de conditions aux limites sur la totalité de la frontière du domaine sur lequel elle est posée. DÉFINITION Le problème est bien posé si pour toute donnée (second membre, domaine, données au bord, etc.), il admet une solution unique et si cette solution dépend continuement de la donnée. A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 5 / 52
6 PLAN 1 FORMULES DE GREEN 2 ÉQUATION DE LAPLACE Domaine R d tout entier Domaine borné 3 ÉQUATION DE LA CHALEUR Domaine R d tout entier Domaine borné 4 MÉTHODE DES DIFFÉRENCES FINIES Étude d un exemple en dimension 1 Remarques en dimension supérieure à 2 Équation de la chaleur A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 6 / 52
7 NORMALE À UN OUVERT. Soit Ω ouvert de R n de classe C k, avec ρ C k (R d ), Ω = {x R n, ρ(x) < 0}, Ω = {x R n, ρ(x) = 0}, grad ρ(x) = ρ(x) 0 pour x Ω. DÉFINITION 1 La fonction ν : x Ω grad ρ(x) est appelée normale grad ρ(x) unitaire orientée vers l extérieur de Ω. DÉFINITION Si u C 1 ( Ω), on note u ν de Ω. = ν.grad u la dérivée normale de u le long A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 7 / 52
8 THÉORÈME DE GAUSS-GREEN. DONNÉES : Ω ouvert de R d de classe (au moins) C 1 ; ν = (ν 1,..., ν d ) : normale extérieure à Ω ; dσ : mesure superficielle du bord Ω. THÉORÈME DE GAUSS-GREEN Si f C 1 (Ω), alors FORMULE DE STOKES d divu(x)dx = Ω Ω i=1 Ω f (x)dx = (f ν i )(σ)dσ. x i Ω U i (x)dx = (U.ν)(σ)dσ. x i Ω A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 8 / 52
9 FORMULES DE GREEN. INTÉGRATION PAR PARTIES Si f et g sont dans C 1 (Ω), pour tout i {1,..., d} : f (x)g(x)dx = f (x) g (x)dx + f (σ)g(σ)ν i (σ)dσ. x i x i Ω Ω Ω A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 9 / 52
10 FORMULES DE GREEN. FORMULES DE GREEN 1 Si f C 2 (Ω) et g C 1 (Ω), on a : f f (x)g(x)dx = f (x). g(x)dx + Ω Ω Ω ν (σ)g(σ)dσ. 2 Si f et g sont dans C 2 (Ω), alors : f (x)g(x)dx = f (x) g(x)dx Ω Ω [ ] f g + (σ)g(σ) (σ)f (σ) dσ. ν ν Ω A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 9 / 52
11 PLAN 1 FORMULES DE GREEN 2 ÉQUATION DE LAPLACE Domaine R d tout entier Domaine borné 3 ÉQUATION DE LA CHALEUR Domaine R d tout entier Domaine borné 4 MÉTHODE DES DIFFÉRENCES FINIES Étude d un exemple en dimension 1 Remarques en dimension supérieure à 2 Équation de la chaleur A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 10 / 52
12 DÉFINITIONS. ÉQUATION DE LAPLACE : u(x) = 0 pour tout x Ω R d. ÉQUATION DE POISSON : u(x) = f (x) pour tout x Ω. DÉFINITION Une fonction u de classe C 2 sur Ω satisfaisant l équation de Laplace est dite harmonique. A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 11 / 52
13 PLAN 1 FORMULES DE GREEN 2 ÉQUATION DE LAPLACE Domaine R d tout entier Domaine borné 3 ÉQUATION DE LA CHALEUR Domaine R d tout entier Domaine borné 4 MÉTHODE DES DIFFÉRENCES FINIES Étude d un exemple en dimension 1 Remarques en dimension supérieure à 2 Équation de la chaleur A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 12 / 52
14 SOLUTION INVARIANTE PAR ROTATION. DOMAINE : Ω = R d invariance par rotation, d où u(x) = v(r) avec r = x. LEMME u x i = v (r) x i r, 2 u x 2 i ( = v (r) x i 2 r 2 + v 1 (r) r x i 2 r 3 u = 0 v + d 1 v = 0. r { α ln(r) + β, d = 2; v(r) = α r d 2 + β, d 3; (α, β) R 2. ). A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 13 / 52
15 SOLUTION FONDAMENTALE. DÉFINITION La fonction Φ(x) = 1 ln( x ), d = 2; 2π 1 1, d 3; d(d 2)κ(d) x d 2 pour x R d, x 0, est la solution fondamentale de l équation de Laplace. NOTATION κ(d) = πd/2 Γ( d 2 + 1) est le volume de la boule unité de Rd. A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 14 / 52
16 ÉQUATION DE POISSON SUR R d. THÉORÈME Soit f Cc 2 (R d ). Alors u = Φ f : 1 ln( x y )f (y)dy, d = 2; 2π R 2 u(x) = 1 f (y) dy, d 3; d(d 2)κ(d) x y d 2 est correctement définie et vérifie : 1 u C 2 (R d ), 2 u = f sur R d. R 3 A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 15 / 52
17 PLAN 1 FORMULES DE GREEN 2 ÉQUATION DE LAPLACE Domaine R d tout entier Domaine borné 3 ÉQUATION DE LA CHALEUR Domaine R d tout entier Domaine borné 4 MÉTHODE DES DIFFÉRENCES FINIES Étude d un exemple en dimension 1 Remarques en dimension supérieure à 2 Équation de la chaleur A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 16 / 52
18 PRINCIPE DU MAXIMUM, UNICITÉ. THÉORÈME Soit u C 2 (Ω) C(Ω) harmonique sur Ω ouvert borné. 1 Alors max u = max u. Ω Ω 2 De plus si Ω est connexe et s il existe x 0 Ω t.q. u(x 0 ) = max u, alors u est constante sur Ω. REMARQUE Avec u à la place de u, on a les mêmes assertions pour le min. Ω COROLLAIRE Si u C 2 (Ω) C(Ω) est harmonique sur Ω et vérifie u = g sur Ω avec g 0, u est strictement positive partout sur Ω pourvu que g soit strictement positive en au moins un point du bord. A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 17 / 52
19 PRINCIPE DU MAXIMUM, UNICITÉ. THÉORÈME (UNICITÉ) Soit g C( Ω), f C(Ω). Alors il existe au plus une solution u C 2 (Ω) C(Ω) au problème suivant : u = f sur Ω, u = g sur Ω. A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 17 / 52
20 RÉGULARISATION ET REPRÉSENTATION. THÉORÈME Si u C(Ω) est harmonique, alors u C (Ω). REMARQUE Attention : u n est pas nécessairement régulière, ni même continue sur le bord Ω. THÉORÈME Soit f Cc 2 (R d ) avec d 3. Toute solution bornée de u = f sur R d est de la forme u(x) = Φ(x y)f (y)dy + C, avec C constante. R d A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 18 / 52
21 FONCTION DE GREEN. HYPOTHÈSE : Ω est un ouvert borné de classe C 1. DÉFINITION Pour tout x Ω, Fonction correctrice : φ x solution de Φ x = 0 sur Ω, Fonction de Green de Ω : φ x = Φ(y x) sur Ω. G(x, y) = Φ(y x) φ x (y), (x, y) Ω 2, x y. PROPOSITION Pour tout (x, y) Ω 2, x y, G(x, y) = G(y, x). A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 19 / 52
22 FONCTION DE GREEN. HYPOTHÈSE : Ω est un ouvert borné de classe C 1. THÉORÈME Si u C 2 (Ω) est solution de u = f sur Ω, alors pour tout x Ω : u(x) = Ω u = g sur Ω, g(σ) G (x, σ)dσ + f (y)g(x, y)dy. ν Ω A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 19 / 52
23 FONCTION DE GREEN POUR LE DEMI-ESPACE. DOMAINE : Ω = R d + = {x = (x 1,..., x d ) R d x d > 0}. NOYAU DE POISSON POUR R d + : K (x, y) = 2x d 1 dκ(d) x y d, x Rd +, y R d +. THÉORÈME Soit g C(R d 1 ) L (R d 1 ) et u définie par x R d +, u(x) = g(y)k (x, y)dy. Alors u C (R d +) L (R d +) et 1 u = 0 sur R d +, R d + 2 lim u(x) = g(x 0 ) pour tout x 0 R d +. x x 0,x R d + A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 20 / 52
24 FONCTION DE GREEN POUR UNE BOULE. DOMAINE : Ω = B(0, r) avec r > 0. NOYAU DE POISSON POUR B(0, r) : K (x, y) = r 2 x 2 dκ(d)r 1 x y d, x B(0, r), y B(0, r). THÉORÈME Soit g C( B(0, r)) et u définie par x B(0, r), u(x) = Alors u C (B(0, r)) et 1 u = 0 sur B(0, r), B(0,r) g(y)k (x, y)dy. 2 lim x x 0,x B(0,r) u(x) = g(x 0) pour tout x 0 B(0, r). A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 21 / 52
25 PLAN 1 FORMULES DE GREEN 2 ÉQUATION DE LAPLACE Domaine R d tout entier Domaine borné 3 ÉQUATION DE LA CHALEUR Domaine R d tout entier Domaine borné 4 MÉTHODE DES DIFFÉRENCES FINIES Étude d un exemple en dimension 1 Remarques en dimension supérieure à 2 Équation de la chaleur A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 22 / 52
26 DÉFINITION. ÉQUATION HOMOGÈNE : u t u = 0. ÉQUATION INHOMOGÈNE : u t u = f. DONNÉES initiales et de bord à préciser! f : R + Ω R, Ω R d ouvert. INCONNUE : u : R + Ω R. A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 23 / 52
27 PLAN 1 FORMULES DE GREEN 2 ÉQUATION DE LAPLACE Domaine R d tout entier Domaine borné 3 ÉQUATION DE LA CHALEUR Domaine R d tout entier Domaine borné 4 MÉTHODE DES DIFFÉRENCES FINIES Étude d un exemple en dimension 1 Remarques en dimension supérieure à 2 Équation de la chaleur A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 24 / 52
28 SOLUTION FONDAMENTALE. DÉFINITION La fonction Φ(t, x) = 1 exp (4πt) d/2 ) ( x 2 4t t > 0, x R d, 0 t < 0, x R d est appelée solution fondamentale de l équation de la chaleur (homogène). LEMME Pour tout t > 0, Φ(t, x)dx = 1. R d A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 25 / 52
29 PROBLÈME DE CAUCHY. À RÉSOUDRE : u t u = 0, t > 0, x Rd, et u(0,.) = g. THÉORÈME Soit g C(R d ) L (R d ). Soit u(t, x) = Φ(t,.) g = Φ(t, x y)g(y)dy, t > 0, x R d. R d Alors u C (R + R d ) et 1 u t (t, x) u(t, x) = 0 pour (t, x) ]0, + [ R d, 2 lim (t,x) (0,x 0 ),t>0 u(t, x) = g(x 0) pour x 0 R d. 3 Si g 0, avec g 0, alors pour tout t > 0 et tout x R d, u(t, x) > 0. A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 26 / 52
30 PROBLÈME NON HOMOGÈNE. À RÉSOUDRE : u t u = f, t > 0, x Rd, u = 0 t = 0, x R d. THÉORÈME Soit f C 1,2 0 (R + R d ). Soit u(t, x) = t Alors u C 1,2 (R + R d ) et 0 R d Φ(t s, x y)f (s, y)dsdy, t > 0, x R d. 1 u t (t, x) u(t, x) = f (t, x) pour (t, x) ]0, + [ R d, 2 lim (t,x) (0,x 0 ),t>0 u(t, x) = 0 pour tout x 0 R d. A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 27 / 52
31 PROBLÈME NON HOMOGÈNE. PROPOSITION EN COMBINANT LES DEUX THÉORÈMES : t u(t, x) = est solution de R d Φ(t, x y)g(y)dy + u t u = f, t > 0, x Rd, u = g t = 0, x R d. 0 R d Φ(t s, x y)f (s, y)dsdy A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 27 / 52
32 PLAN 1 FORMULES DE GREEN 2 ÉQUATION DE LAPLACE Domaine R d tout entier Domaine borné 3 ÉQUATION DE LA CHALEUR Domaine R d tout entier Domaine borné 4 MÉTHODE DES DIFFÉRENCES FINIES Étude d un exemple en dimension 1 Remarques en dimension supérieure à 2 Équation de la chaleur A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 28 / 52
33 PRINCIPE DU MAXIMUM, UNICITÉ. DÉFINITION Soit Ω ouvert borné de R d et T > 0. Cylindre parabolique : Ω T =]0, T ] Ω. Bord parabolique de Ω T : Γ T = Ω T \ Ω T = {0} Ω [0, T ] Ω. THÉORÈME Soit u C 1,2 (Ω T ) C(Ω T ) solution de l équation de la chaleur sur Ω T. 1 Alors max u = max u. Ω T Γ T 2 Si Ω est connexe et s il existe (t 0, x 0 ) Ω T t.q. u(t 0, x 0 ) = max Ω T u, alors u est constante sur Ω t0. A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 29 / 52
34 PRINCIPE DU MAXIMUM, UNICITÉ. DÉFINITION Soit Ω ouvert borné de R d et T > 0. Cylindre parabolique : Ω T =]0, T ] Ω. Bord parabolique de Ω T : Γ T = Ω T \ Ω T = {0} Ω [0, T ] Ω. THÉORÈME Soit g C(Γ T ) et f C(Ω T ). Il existe au plus une solution u C 1,2 (Ω T ) C(Ω T ) au problème : u t u = f dans Ω T, u = g sur Γ T. A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 29 / 52
35 PROBLÈME DE CAUCHY. THÉORÈME (PRINCIPE DU MAXIMUM) Soit u C 1,2 (]0, T ] R d ) C([0, T ] R d ) solution de u t u = 0 sur ]0, T [ R d, u = g sur {0} R d, et satisfaisant u(t, x) Ae a x 2 (avec A, a constantes). Alors sup u = sup g. [0,T ] R d R d A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 30 / 52
36 PROBLÈME DE CAUCHY. THÉORÈME (UNICITÉ) Soit g C(R d ) et f C([0, T ] R d ). Il existe au plus une solution u C 1,2 (]0, T ] R d ) C([0, T ] R d ) au problème : u t u = f sur ]0, T [ R d, u = g sur {0} R d, satisfaisant u(t, x) Ae a x 2 (avec A, a constantes). A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 30 / 52
37 REMARQUES. REMARQUE SUR LES BORNES Il existe une infinité de solutions pour u t u = 0 sur ]0, T [ R d, u = 0 sur {0} R d, THÉORÈME (RÉGULARITÉ) Si u C 1,2 (Ω T ) satisfait l équation de la chaleur sur Ω T, alors u C (Ω T ). A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 31 / 52
38 PLAN 1 FORMULES DE GREEN 2 ÉQUATION DE LAPLACE Domaine R d tout entier Domaine borné 3 ÉQUATION DE LA CHALEUR Domaine R d tout entier Domaine borné 4 MÉTHODE DES DIFFÉRENCES FINIES Étude d un exemple en dimension 1 Remarques en dimension supérieure à 2 Équation de la chaleur A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 32 / 52
39 PRINCIPALES MÉTHODES DE DISCRÉTISATION. DIFFÉRENCES FINIES (ou volumes finis) : discrétisation du domaine Ω et remplacement de l opérateur différentiel par un quotient différentiel. ÉLÉMENTS FINIS : trés liée à la formulation variationnelle des EDP. Principe : remplacer un espace de Hilbert H par un sous-espace de dimension finie H N. MÉTHODES SPECTRALES : chercher une solution approchée sous forme d un développement sur une certaine famille de fonctions (Fourier, polynômes, splines, etc.) : u = N α i (u)p i, i=1 (voir exercices de TD). Méthodes souvent coûteuses, mais précises. A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 33 / 52
40 PRINCIPE. DÉRIVÉE : du u(x + h) u(x) (x) = lim dx h 0 h u(x + h) u(x), si h est assez petit. h LEMME (EN EXERCICE) Si u est de classe C 2 au voisinage de x, alors ( du u(x + h) u(x) (x) dx h sup y [x,x+h 0 [ ) u (y) h. 2 DÉFINITION Une approximation est consistante d ordre p s il existe une constante C positive indépendante de h, t.q. cette erreur soit majorée par Ch p. A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 34 / 52
41 PRINCIPE. DÉRIVÉE : du u(x + h) u(x h) (x) = lim dx h 0 2h u(x + h) u(x h). 2h LEMME (EN EXERCICE) Si u est de classe C 3 au voisinage de x, alors ( du u(x + h) u(x h) (x) dx 2h sup y ]x h 0,x+h 0 [ ) u (3) (y) h 2. 6 A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 34 / 52
42 PRINCIPE. DÉRIVÉE D ORDRE 2 : PROPOSITION Si u est de classe C 4 au voisinage de x, alors d 2 ( u u(x + h) 2u(x) + u(x h) (x) dx 2 h 2 sup y [x,x+h 0 [ ) u (4) (y) h 2. 2 A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 34 / 52
43 PLAN 1 FORMULES DE GREEN 2 ÉQUATION DE LAPLACE Domaine R d tout entier Domaine borné 3 ÉQUATION DE LA CHALEUR Domaine R d tout entier Domaine borné 4 MÉTHODE DES DIFFÉRENCES FINIES Étude d un exemple en dimension 1 Remarques en dimension supérieure à 2 Équation de la chaleur A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 35 / 52
44 PROBLÈME. Soit u : [0, 1] R solution de d 2 u (x) + c(x)u(x) = f (x) pour 0 < x < 1, dx 2 u(0) = g 0, u(1) = g 1. HYPOTHÈSES : f C([0, 1]), c C([0, 1]), c 0. RÉSULTAT : il existe une unique solution u C 2 ([0, 1]). Mais pas de forme explicite de la solution si c 0. DISCRÉTISATION DU DOMAINE : pour tout entier N, x 0 = 0 < x 1 <... < x N < x N+1 = 1. DISCRÉTISATION RÉGULIÈRE : x i = ih avec h = 1/(N + 1) et i = 0,..., N + 1. A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 36 / 52
45 SCHÉMA DE DIFFÉRENCES FINIES. BUT : chercher en tout point x i une valeur u i t.q. u i u(x i ). Donc u 0 = g 0, u N+1 = g 1, U = (u 1,..., u N ) R N. APPROXIMATION : en chacun des sommets internes x i : d 2 u dx 2 (x i) + c(x i )u(x i ) = f (x i ); u(x i + h) 2u(x i ) + u(x i h) h 2 + c(x i )u(x i ) f (x i ); u i+1 2u i + u i 1 h 2 + c(x i )u i f (x i ), i {1,..., N}. A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 37 / 52
46 ÉCRITURE MATRICIELLE. A h U = b h, avec A h R N N et b h R N : c(x A h = ) h c(x 2 ) c(x N ) b h = f (x 1 ) + g 0 h 2 f (x 2 ). f (x N 1 ) f (x N ) + g 1 h 2 ATTENTION AUX BORDS! A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 38 / 52
47 PROPRIÉTÉS DE A h. PROPOSITION Si c 0, A h est symétrique et définie positive. CONSÉQUENCE : U existe et est unique. INÉGALITÉ DE STABILITÉ Si c 0, (A h ) A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 39 / 52
48 ERREUR DE CONSISTANCE. DÉFINITION On appelle erreur de consistance du schéma la quantité obtenue en remplaçant l inconnue par la solution exacte dans le schéma numérique : ε h (u) = A h π h (u) b h, π h (u) = Le schéma est consistant si lim h 0 ε h (u) = 0. u(x 1 ). u(x N ). Le schéma est consistant d ordre p s il existe C > 0 et h 0 > 0 t.q. pour tout 0 < h < h 0, ε h (u) Ch p. A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 40 / 52
49 ERREUR DE CONSISTANCE. PROPOSITION Supposons la solution u de classe C 4 sur [0, 1]. Alors le schéma est consistant d ordre 2 pour la norme infinie : ε h (u) h2 12 sup u (4) (y). y [0,1] A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 41 / 52
50 CONVERGENCE DU SCHÉMA. THÉORÈME Soit u : [0, 1] R solution exacte de d 2 u (x) + c(x)u(x) = f (x) pour 0 < x < 1, dx 2 u(0) = g 0, u(1) = g 1. On suppose u C 4 ([0, 1]). Soit U R N la solution du schéma. Alors l erreur de discrétisation, i.e. la différence π h (u) U, vérifie : π h (u) U h2 96 sup u (4) (y). y [0,1] REPOSE SUR π h (u) U = (A h ) 1 ε h (u). A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 42 / 52
51 PLAN 1 FORMULES DE GREEN 2 ÉQUATION DE LAPLACE Domaine R d tout entier Domaine borné 3 ÉQUATION DE LA CHALEUR Domaine R d tout entier Domaine borné 4 MÉTHODE DES DIFFÉRENCES FINIES Étude d un exemple en dimension 1 Remarques en dimension supérieure à 2 Équation de la chaleur A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 43 / 52
52 UN PROBLÈME DE GÉOMÉTRIQUE. Problème de Laplace inhomogène : u(x) = f (x) pour x Ω, u = 0 sur Ω. DISCRÉTISATION : points alignés dans les directions x et y. A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 44 / 52
53 APPROXIMATION. EN UN POINT RÉGULIER : u(p 1 ) u(p 2) + u(p 3 ) 2u(P 1 ) h u(p 5) + u(p 4 ) 2u(P 1 ) h2 2. Si u de classe C 4, approximation d ordre 2. EXEMPLE : si Ω est un rectangle, tous les points sont réguliers. A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 45 / 52
54 APPROXIMATION. EN UN POINT SINGULIER : CORRECTION : 2 u x 2 (P 1) + O(h) = αu( P 2 ) + βu( P 1 ) + γu(p 3 ). Formule de Taylor : α + β + γ = 0, αh + γh = 0, αh 2 /2 + γh 2 /2 = 1. Erreur de consistance en O(h) et matrice du système linéaire non symétrique. A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 45 / 52
55 PLAN 1 FORMULES DE GREEN 2 ÉQUATION DE LAPLACE Domaine R d tout entier Domaine borné 3 ÉQUATION DE LA CHALEUR Domaine R d tout entier Domaine borné 4 MÉTHODE DES DIFFÉRENCES FINIES Étude d un exemple en dimension 1 Remarques en dimension supérieure à 2 Équation de la chaleur A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 46 / 52
56 SCHÉMAS D EULER POUR EDO. À résoudre EDO : u = f (u) sur ]0, 1[ avec u(0) = u 0. SCHÉMAS D EULER : EXPLICITE : u (x) u(x + h) u(x), d où h u(x + h) = u(x) + hf (u(x)). IMPLICITE : u (x) u(x) u(x h), d où h u(x + h) hf (u(x + h)) = u(x) u(x + h) = (Id hf ) 1 (u(x)). θ-schéma (θ [0, 1]) : u(x + h) (1 θ)hf (u(x + h)) = u(x) + θhf (u(x)). A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 47 / 52
57 ÉQUATION DE LA CHALEUR. Soit u solution de u t (t, x) 2 u (t, x) = 0 pour x ]0, 1[, t ]0, T [ x 2 u(0, x) = u 0 (x) x ]0, 1[, u(t, 0) = u(t, 1) = 0 pour t ]0, T [. THÉORÈME Si u 0 C(]0, 1[), il existe une unique solution u C 2 (]0, T [ ]0, 1[) C([0, T ] [0, 1]). De plus u C (]0, T [ ]0, 1[). Si u 0 0, u(t,.) 0 pour tout t 0. Si u L (]0, 1[), alors u L (]0, T [ ]0, 1[) et u u 0. A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 48 / 52
58 DISCRÉTISATION PAR EULER EXPLICITE EN TEMPS. DISCRÉTISATION : [0, T ] divisé en t n = nk, n = 0,..., M, pas k = T /M, [0, 1] divisé en x i = ih, i = 0,..., N + 1, pas h = 1/(N + 1). En chaque point (t n, x i ) : u t (t n, x i ) u(t n+1, x i ) u(t n, x i ) k 2 u x 2 (t n, x i ) 2u(t n, x i ) u(t n, x i+1 ) u(t n, x i 1 ) h 2. APPROXIMATION u (n) i de u(t n, x i ), i = 1,..., N et n = 1,..., M. A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 49 / 52
59 DISCRÉTISATION PAR EULER EXPLICITE EN TEMPS. DISCRÉTISATION : [0, T ] divisé en t n = nk, n = 0,..., M, pas k = T /M, [0, 1] divisé en x i = ih, i = 0,..., N + 1, pas h = 1/(N + 1). SCHÉMA : pour tout i = 1,..., N et tout n = 1,..., M u (n+1) i u (n) i + 2u(n) i u (n) i+1 u(n) i 1 k h 2 (t, x) = 0, u (0) i = u 0 (x i ), u (n) 0 = u (n) N+1 = 0. A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 49 / 52
60 DISCRÉTISATION PAR EULER EXPLICITE EN TEMPS. DISCRÉTISATION : [0, T ] divisé en t n = nk, n = 0,..., M, pas k = T /M, [0, 1] divisé en x i = ih, i = 0,..., N + 1, pas h = 1/(N + 1). SCHÉMA EXPLCITE car u (n+1) i u (n+1) i = u (n) i explicite en fonction de (u (n) i ) i=1,...,n : k h 2 (2u(n) i u (n) i 1 u(n) i+1 ). A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 49 / 52
61 PROPRIÉTÉS. PROPOSITION Le schéma est consistant d ordre 1 en temps et d ordre 2 en espace : u t (t n, x i ) u(t n+1, x i ) u(t n, x i ) k Ck, u 2 x 2 (t n, x i ) 2u(t n, x i ) u(t n, x i+1 ) u(t n, x i 1 ) h 2 Ch2. DÉFINITION Un schéma est L -stable si la solution approchée est bornée dans L indépendamment du pas du maillage. PROPOSITION Si k h 2 1/2, alors le schéma est stable : sup i,n u (n) i u 0. A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 50 / 52
62 PROPRIÉTÉS. THÉORÈME Si la condition de stabilité est satisfaite, alors il existe C 0 t.q. pour tout n = 1,..., M : sup u(t n, x i ) u (n) sup u(0, x i ) u (0) + TC(k + h 2 ). i=1,...,n i i=1,...,n i A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 50 / 52
63 ÉCRITURE MATRICIELLE. NOTATIONS : λ = k/h 2. Pour n = 1,..., M, U n = (u (n) i ) i=1,...,n. U 0 = (u 0 (x i )) i=1,...,n. SYSTÈME LINÉAIRE : U n = AU n 1 avec 1 2λ λ λ 1 2λ λ 0. A = λ 2 λ λ 1 2λ REMARQUE : attention aux conditions de bord en x = 0 et x = 1. A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 51 / 52
64 θ-schémas. Pour θ [0, 1] u (n+1) i u (n) i k = 1 θ ( ) h 2 2u (n) i + u (n) i+1 + u(n) i 1 + θ ( h 2 2u (n+1) i + u (n+1) i+1 + u (n+1) i 1 ). PROPRIÉTÉS. Euler implicite si θ = 1, Crank-Nicholson si θ = 1/2. D ordre 2 en espace. D ordre 2 en temps si θ = 1/2, d ordre 1 sinon. Inconditionnellement stable si θ 1/2. Sinon stable si k h 2 1 2(1 2θ). A. Popier (Le Mans) EDP, solutions classiques. 52 / 52
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