Les équations aux dérivées partielles

Documents pareils
ANALYSE NUMERIQUE ET OPTIMISATION. Une introduction à la modélisation mathématique et à la simulation numérique

Cours d analyse numérique SMI-S4

Sujet proposé par Yves M. LEROY. Cet examen se compose d un exercice et de deux problèmes. Ces trois parties sont indépendantes.

Simulation numérique d un stockage de déchets nucléaires en site géologique profond

Résolution de systèmes linéaires par des méthodes directes

1 Introduction et modèle mathématique

aux différences est appelé équation aux différences d ordre n en forme normale.

SUJET ZÉRO Epreuve d'informatique et modélisation de systèmes physiques

Théorie et codage de l information

Fonctions de deux variables. Mai 2011

Exercices - Fonctions de plusieurs variables : corrigé. Pour commencer

Manuel de validation Fascicule v4.25 : Thermique transitoire des structures volumiques

Mathématique et Automatique : de la boucle ouverte à la boucle fermée. Maïtine bergounioux Laboratoire MAPMO - UMR 6628 Université d'orléans

Retournement Temporel

TD1 Signaux, énergie et puissance, signaux aléatoires

T.P. FLUENT. Cours Mécanique des Fluides. 24 février 2006 NAZIH MARZOUQY

Eléments de Théorie des Graphes et Programmation Linéaire

Exercice : la frontière des portefeuilles optimaux sans actif certain

Formation à la C F D Computational Fluid Dynamics. Formation à la CFD, Ph Parnaudeau

Fonctions de plusieurs variables : dérivés partielles, diérentielle. Fonctions composées. Fonctions de classe C 1. Exemples

Journées Télécom-UPS «Le numérique pour tous» David A. Madore. 29 mai 2015

10ème Congrès Français d'acoustique Lyon, Avril 2010

Examen optimisation Centrale Marseille (2008) et SupGalilee (2008)

MATHS FINANCIERES. Projet OMEGA

Saisie des chauffe-eau thermodynamiques à compression électrique

Systèmes de communications numériques 2

LA PHYSIQUE DES MATERIAUX. Chapitre 1 LES RESEAUX DIRECT ET RECIPROQUE

Optimisation non linéaire Irène Charon, Olivier Hudry École nationale supérieure des télécommunications

LISACode. Un simulateur opérationnel pour LISA. Antoine PETITEAU LISAFrance - le 16 mai 2006

Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance : application à l onduleur basse tension

La (les) mesure(s) GPS

Atelier Transversal AT11. Activité «Fourmis» Pierre Chauvet.

Les correcteurs accorderont une importance particulière à la rigueur des raisonnements et aux représentations graphiques demandées.

Module d Electricité. 2 ème partie : Electrostatique. Fabrice Sincère (version 3.0.1)

Chapitre 5 : Flot maximal dans un graphe

Traitement bas-niveau

08/07/2015

Object Removal by Exemplar-Based Inpainting

3ème séance de Mécanique des fluides. Rappels sur les premières séances Aujourd hui : le modèle du fluide parfait. 2 Écoulements potentiels

Applications en imagerie cérébrale (MEG/EEG)

Une comparaison de méthodes de discrimination des masses de véhicules automobiles

Contrôle par commande prédictive d un procédé de cuisson sous infrarouge de peintures en poudre.

Estimation d erreur de propagation acoustique dans la CFD

Simulation Matlab/Simulink d une machine à induction triphasée. Constitution d un référentiel

de calibration Master 2: Calibration de modèles: présentation et simulation d

Introduction à la méthode des éléments finis

Calcul matriciel. Définition 1 Une matrice de format (m,n) est un tableau rectangulaire de mn éléments, rangés en m lignes et n colonnes.

Compte rendu des TP matlab

Programmation Linéaire - Cours 1

Résolution d équations non linéaires

Introduction à l analyse numérique : exemple du cloud computing

Annexe 6. Notions d ordonnancement.

Enjeux mathématiques et Statistiques du Big Data

Les algorithmes de base du graphisme

Chapitre 3. Les distributions à deux variables

LES OUTILS D ALIMENTATION DU REFERENTIEL DE DB-MAIN

Chapitre 2 Caractéristiques des ondes

Introduction. Mathématiques Quantiques Discrètes

I Stabilité, Commandabilité et Observabilité Introduction Un exemple emprunté à la robotique Le plan Problème...

Echantillonnage Non uniforme

ELEC2753 Electrotechnique examen du 11/06/2012

Sujet 4: Programmation stochastique propriétés de fonction de recours

Projet de Traitement du Signal Segmentation d images SAR

Introduction à l informatique temps réel Pierre-Yves Duval (cppm)

Plus courts chemins, programmation dynamique

FONCTIONS DE PLUSIEURS VARIABLES (Outils Mathématiques 4)

Initiation à la simulation numérique. Eléments d analyse numérique.

Objectifs. Clustering. Principe. Applications. Applications. Cartes de crédits. Remarques. Biologie, Génomique

MATLAB : COMMANDES DE BASE. Note : lorsqu applicable, l équivalent en langage C est indiqué entre les délimiteurs /* */.

Optimisation Discrète

Licence STS mention Mathématiques Parcours Ingénieur Télécom Bretagne (ITB)

Masses de données. 1. Introduction 2. Problématiques 3. Socle de formation (non présenté) 4. Liens avec Formation INSA

Dualité dans les espaces de Lebesgue et mesures de Radon finies

BTS Groupement A. Mathématiques Session Spécialités CIRA, IRIS, Systèmes électroniques, TPIL

Equipement. électronique

MCMC et approximations en champ moyen pour les modèles de Markov

Introduction à l approche bootstrap

Première partie. Introduction à la méthodes des différences finies

Introduction à la Programmation par Contraintes (PPC) Ruslan Sadykov LIX, École Polytechnique

Chapitre 13 Numérisation de l information

Algorithmes pour la planification de mouvements en robotique non-holonome

Systèmes de communications numériques 2

Les Conditions aux limites

SDLV120 - Absorption d'une onde de compression dans un barreau élastique

CHAPITRE IV Oscillations libres des systèmes à plusieurs degrés de liberté

Régler les paramètres de mesure en choisissant un intervalle de mesure 10µs et 200 mesures.

Probabilités III Introduction à l évaluation d options

Module 7: Chaînes de Markov à temps continu

SIMULATION HYBRIDE EN TEMPOREL D UNE CHAMBRE REVERBERANTE

Exercices du Cours de la programmation linéaire donné par le Dr. Ali DERBALA

Renforcement des trois compétences : compréhension orale, expression orale et expression écrite à partir de documents et vidéos.

ÉdIteur officiel et fournisseur de ServIceS professionnels du LogIcIeL open Source ScILab

Licence à distance Chapitre V : Equations différentielles. Méthodes numériques à un pas.

Programmation linéaire

Architecture des Systèmes d Information Architecture des Systèmes d Information

SYLLABUS SEMESTRE 9 Année

QUELQUES ACTIVITES RELATIVES A LA PARTIE A Propagation d une onde ; onde progressive. Comment installer le format de compression divx?

Rencontre sur la thématique du Calcul Haute Performance - 13 juin Better Match, Faster Innovation

ALGORITHMIQUE II NOTION DE COMPLEXITE. SMI AlgoII

Transcription:

Didier Cassereau Laboratoire d Imagerie Biomédicale, UPMC CNRS INSERM, Paris, France ESPCI - Promotion 133

Généralisation du problème des équations différentielles plusieurs degrés de liberté en espace (1D, 2D ou 3D) éventuellement un degré de liberté en temps Quelques exemples souvent rencontrés en simulation numérique l équation d onde transitoire 1 2 u c 2 t 2 = 2 u x 2 [ + 2 u y 2 + 2 u z 2 ] l équation de diffusion u t = x ( D u ) x l équation de Poisson 2 u x 2 + 2 u = ρ(x, y) y2 2/35

L équation de Poisson Approche numérique résolution par différences finies généralisation des méthodes d Euler ou RK remplacement des dérivées partielles par développements de Taylor Maillage limité à une portion du plan xy { xi = x 0 + i x 0 i < I y j = y 0 + j y 0 j < J Conditions aux bords du domaine? 3/35

L équation de Poisson Développement de Taylor à l ordre 2 2 u u(x + x, y) + u(x x, y) 2u(x, y) x2 x 2 2 u u(x, y + y) + u(x, y y) 2u(x, y) y2 y 2 en notation discrète 1 x 2 (u i+1,j + u i 1,j 2u i,j ) + 1 y 2 (u i,j+1 + u i,j 1 2u i,j ) = ρ i,j 4/35

L équation de Poisson Réindexation 2D = 1D { 0 i < I 0 j < J = k = ij + j, 0 k < IJ nouvelle formulation de la solution (ε x = x 2, ε y = y 2 ) ε x (u k+j+1 + u k J 1 ) + ε y (u k+1 + u k 1 ) 2(ε x + ε y )u k = ρ k Attention : relations différentes sur les frontières du domaine conditions aux limites sur la solution ou ses dérivées lié directement au problème physique que l on résoud 5/35

L équation de Poisson Condition de Dirichlet : la solution est nulle en dehors du domaine 1 x 2 (u i+1,j + u i 1,j 2u i,j ) + 1 y 2 (u i,j+1 + u i,j 1 2u i,j ) = ρ i,j sur le côté gauche (i = 0) = 1 x 2 (u 1,j 2u 0,j ) + 1 y 2 (u 0,j+1 + u 0,j 1 2u 0,j ) = ρ 0,j sur le côté droit (i = I 1) = 1 x 2 (u I 2,j 2u I 1,j )+ 1 y 2 (u I 1,j+1 +u I 1,j 1 2u I 1,j ) = ρ I 1,j idem en bas (j = 0) et en haut (j = J 1) 6/35

L équation de Poisson Condition de Neumann : la dérivée normale est nulle aux bords 1 x 2 (u i+1,j + u i 1,j 2u i,j ) + 1 y 2 (u i,j+1 + u i,j 1 2u i,j ) = ρ i,j sur le côté gauche (i = 0) 1 x 2 (u 1,j u 0,j ) + 1 y 2 (u 0,j+1 + u 0,j 1 2u 0,j ) = ρ 0,j sur le côté droit (i = I 1) 1 x 2 (u I 2,j u I 1,j ) + 1 y 2 (u I 1,j+1 + u I 1,j 1 2u I 1,j ) = ρ I 1,j idem en bas (j = 0) et en haut (j = J 1) 7/35

L équation de Poisson - exemple Potentiel électrostatique en présence de lignes de charge V 2 x 2 + V 2 y 2 = ρ ε 0 ρ = densité volumique de charges ε 0 = permissivité électrique du vide condensateur, domaine 0 x 1 u.a., 0 y 1 u.a. ligne de charges + : 0.25 x 0.75 u.a., y = 0.4 u.a. ligne de charges : 0.25 x 0.75 u.a., y = 0.6 u.a. conditions de Dirichlet maillage de l espace avec N = 65 points = inversion d une matrice 4225 4225 8/35

L équation de Poisson - exemple Matrice très creuse (sparse matrix) nombre de termes : 17 850 625 (env. 136 Mo) termes non nuls : 20 865 (rapport 855) Méthodes d inversion pivot de Gauss si on a la place en mémoire Jacobi ou Gauss-Seidel + stockage sparse avec éventuellement sur-relaxation x i,k+1 = (1 ω)x i,k + ω b i a ij x j,k+1 a ii j<i j>i a ij x j,k ω : facteur de relaxation à choisir de manière optimale 9/35

L équation de Poisson - résultats 65 65 points, 136 Mo, 51 secondes de calcul 10/35

L équation de Poisson - résultats 131 131 points, 2.2 Go, 57 minutes 11/35

Problème aux valeurs initiales Formulation générale à une dimension (conservation du flux F) u t = x ( F( u) ) Exemple : équation d onde à une dimension Variables intermédiaires r = u x r t = ( ) u t x = u 2 u2 = c2 t2 x 2 u et s = t = ( u x t s t = 2 u t 2 = c2 2 u x 2 = u x ) = s x ( c 2 u x ) = x (c2 r) 12/35

Transformation de l équation d onde 1D r t = ( ) u = t x x s t = 2 u t 2 = c2 2 u x 2 = u x ( u t ) = s x ( c 2 u x ) = x (c2 r) = t ( r s ) }{{} u = x ( 0 1 c 2 0 ) ( r s ) } {{ } F( u) 13/35

Cas particulier de l équation (x, t) d ordre 1 Forme générale de l équation u u = c t x Résolution par différences finies, maillage de l espace et du temps { xj = x 0 + j x u t n = t 0 + n t n,j = u(t n, x j ) approximation d Euler en temps (plus simple) u t u n+1,j u n,j t approximation du deuxième ordre en espace (plus précis) u x u n,j+1 u n,j 1 2 x 14/35

Cas particulier de l équation (x, t) d ordre 1 Relation d itération u n+1,j = u n,j c t 2 x (u n,j+1 u n,j 1 ) Algorithme FTCS (Forward Time Centered Space) schéma explicite (calcul direct au temps n + 1 en fonction de la solution au temps n implémentation très simple reste à définir l état initial u 0,j, j, et les conditions aux bords droit et gauche = Stabilité de l itération? 15/35

Stabilité de l itération Cas particulier des solutions stationnaires monochromatiques u(t, x) = e i2πft v(x) v(x) = v 0 e ikx avec k = 2πf /c (nombre d onde) Solution analytique discrétisée en posant χ(k) = e i2πf t u n,j = v 0 e i2πfn t e ikj x = v 0 χ(k) n e ikj x Analyse de la stabilité - approche de Neumann : comportement de l itération pour une solution de la forme u n,j = χ(k) n e ikj x 16/35

Stabilité de l itération u n+1,j = u n,j c t 2 x (u n,j+1 u n,j 1 ) u n,j = χ(k) n e ikj x = χ(k) = 1 i c t x sin(k x) = χ(k) = 1 + ( c t x sin(k x) ) 2 > 1 k Méthode intrinsèquement instable numériquement 17/35

Algorithme FTCS - première variante On réduit nos ambitions en terme de précision on conserve l approximation d ordre 1 en temps u t u n+1,j u n,j t on se limite à l ordre 1 en espace également = Relation d itération u x u n,j+1 u n,j x u n+1,j = u n,j c t x (u n,j+1 u n,j ) 18/35

Algorithme FTCS - première variante Etude de la stabilité χ(k) = 1 + c t (1 cos(k x)) x } {{ } 1 i c t x sin(k x) = χ(k) > 1 k (exception cos(k x) = 1) Méthode intrinsèquement instable numériquement 19/35

Algorithme FTCS - deuxième variante La dérivée spatiale est calculée à gauche et non à droite on conserve l approximation d ordre 1 en temps u t u n+1,j u n,j t on se limite à l ordre 1 en espace également = Relation d itération u x u n,j u n,j 1 x u n+1,j = u n,j c t x (u n,j u n,j 1 ) 20/35

Algorithme FTCS - deuxième variante Etude de la stabilité χ(k) = 1 c t x (1 cos(k x)) + i c t x sin(k x) = χ(k) 1 avec la condition c t x 1 Condition CFL (Courant-Friedrichs-Lewy) indispensable pour assurer la stabilité numérique (CFL à 1D) c t x 1 21/35

Algorithme FTCS - stabilisation de Lax Variante de l algorithme FCTS on conserve l ordre 1 en temps on conserve l ordre 2 en espace on remplace u n,j par (u n,j+1 + u n,j 1 )/2 = Relation d itération u n+1,j = u n,j+1 + u n,j 1 2 c t 2 x (u n,j+1 u n,j 1 ) 22/35

Algorithme FTCS - stabilisation de Lax Etude de la stabilité χ(k) = cos(k x)) i c t x sin(k x) = χ(k) = cos(k x) 2 + Condition CFL c t x 1 ( c t x ) 2 sin(k x) 2 En général, χ(k) dépend de k, donc de la fréquence 23/35

Les conditions aux bords du domaine Domaine limité en temps on spécifie les conditions initiales on itère sur un nombre fini de pas temporels Domaine limité en espace maillage d une partie seulement de l espace physique conditions aux bord du domaine conditions de Dirichlet : champ nul aux bords du domaine conditions de Neumann : dérivée du champ nulle aux bords du domaine conditions intermédiaires : PML (Perfectly Matched Layer) 24/35

Exemple 1 : propagation d une déformation le long d une corde vibrante Problème physique corde vibrante de longueur L, tendue à chaque extrémité (tension T) µ = densité linéaire de masse : µ = m/ x condition de Dirichlet à droite mouvement imposé à gauche, suivi de condition de Dirichlet densité linéaire de masse non constante µ 1 sur la moitié gauche de la corde µ 2 sur la moitié droite de la corde Equation du mouvement 2 u t 2 = c2 2 u x 2, c = T µ 25/35

Exemple 1 : propagation d une déformation le long d une corde vibrante Développement de Taylor au deuxième ordre u(t + t) u(t) + tu (t) + t2 2 u (t) = u(t t) u(t) tu (t) + t2 2 u (t) 2 u(t, x) t 2 2 u(t, x) x 2 u(t + t, x) + u(t t, x) 2u(t, x) t 2 u(t, x + x) + u(t, x x) 2u(t, x) x 2 26/35

Exemple 1 : propagation d une déformation le long d une corde vibrante Relation d itération maillage spatial avec un pas x, N points maillage temporel avec un pas t u n+1,j = 2u n,j u n 1,j + ( c t x ) 2 [u n,j+1 + u n,j 1 2u n,j ] condition CFL : t = x/c max condition de Dirichlet à droite : u n,j = 0, j N mouvement imposé à gauche : u n,0 = e n ( e(n t)) e(t) fonction temporelle décrivant la vibration imposée 27/35

Exemple 1 : propagation d une déformation le long d une corde vibrante En live..../corde -N1000 -S1./corde -N1000 -S2./corde -N4000 -S1./corde -N4000 -S2 28/35

Exemple 2 : équation de diffusion Problème physique diffusion de la chaleur à 1D u t = D 2 u x 2 état initial u(t = 0, x) = f (x) donné condition de Dirichlet aux bords droit et gauche maillage spatial avec un pas x maillage temporel avec un pas t 29/35

Exemple 2 : équation de diffusion Développement de Taylor u t u n+1,j u n,j t 2 u x 2 u n,j+1 + u n,j 1 2u n,j x 2 = u n+1,j = u n,j + D t x 2 (u n,j+1 + u n,j 1 2u n,j ) Condition de Dirichlet : u n,j = 0, j < 0 (bord gauche) u n,j = 0, j N (bord droit) Schéma explicite FTCS 30/35

Exemple 2 : équation de diffusion Analyse de la stabilité numérique : solution particulière de la forme u n,j = χ(k) n e ikj x = χ(k) = 1 4 D t x 2 sin2 ( k x 2 ) = Condition de stabilité : t x2 2D Problème : relation quadratique entre t et x x x/2 : t t/4 31/35

Exemple 2 : équation de diffusion Régularisation par approche BTCS - méthode implicite on calcule la dérivée spatiale au temps n + 1 et non au temps n = u n+1,j u n,j t = D u n+1,j+1 + u n+1,j 1 2u n+1,j x 2 schéma implicite, plus de calcul direct au temps n + 1 en fonction du temps n = αu n+1,j 1 + (1 + 2α)u n+1,j αu n+1,j+1 = u n,j 32/35

Exemple 2 : équation de diffusion Régularisation par approche BTCS - méthode implicite Conditions de Dirichlet aux bords A = 1 + 2α α 0 0 α 1 + 2α α... 0 0 α...... 0.......... α 0 0 α 1 + 2α = u n+1 = A 1 u n La matrice peut être inversée une bonne fois pour toutes 33/35

Exemple 2 : équation de diffusion Analyse de la stabilité numérique : solution particulière de la forme u n,j = χ(k) n e ikj x = χ(k) = 1 1 + 4 D t ( k x x 2 sin2 2 ) = Méthode inconditionnellement stable 34/35

Exemple 2 : équation de diffusion En live..../diffusion -N100 -T0.15 1./diffusion_implicite -N100 -T0.15 1 Matlab: draw_diffusion./diffusion -N100 -T0.15 2./diffusion_implicite -N100 -T0.15 2 Matlab: draw_diffusion 35/35