[PDF] Notes de cours M2 — Équations aux dérivées partielles elliptiques





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Chapitre 4 La m´ethode de Galerkin

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On se propose de reprendre le probl`eme mod`ele du chapitre 1 comme exemple d'application de la méthode de Galerkin. Rappelons le probl`eme.



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3.3 Méthode de Galerkin . . . . . . 9. 3.4 Exemple . . . . . . . . . . . . . 10. 4 Formulation Faible. 13. 4.1 Formulation forte/faible . . . . 13.



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1.1 Probl`eme aux limite et formulation variationnelle quelques exemples . progr`es en analyse avec la méthode de Galerkin se basant sur des théor`emes ...



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Les méthodes fondamentales dapproximation dans lanalyse.

3.3.1 1`ere cas : par la méthode de Galerkin . dimension finie cela convient par exemple pour résoudre des équations différentiels linéaires simple.



Notes de cours M2 — Équations aux dérivées partielles elliptiques

4 mars 2010 2.2 Résolution d'un problème modèle par une méthode de point fixe . 48 ... 4.1 Résolution du problème modèle par la méthode de Galerkin .



Méthode des éléments finis de Galerkin

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Méthodes variationnelles

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Stabilité des méthodes de Lagrange-Galerkin du premier et du

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Chapitre 4 La méthode de Galerkin - Springer

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  • A 4.5.

    Soit Omega un ouvert borné de mathbb{R }^d et soit pin [1,+infty [. Alors {fancyscript{D}}(Omega ) est dense dans H^1_0(Omega )cap L^p(Omega ).

  • Rque 4.2.

    Nous savons déjà que {fancyscript{D}}(Omega ) est dense dans H^1_0(Omega ) par définition de H^1_0(Omega ) d’une part et dans L^p(Omega ) d’autre part par convolution par des noyaux régularisants. Le Lemme 4.5 affirme en plus que l’on peut approcher tout élément de l’intersection de ces deux espaces par une suite de fonctions de {fancyscript{...

  • preuve.

    On procède par approximations successives. Soit uin H^1_0(Omega )cap L^p(Omega ). On tronque u à la hauteur k en posant u_{k}=T_k(u). On a par conséquent u_{k}in H^1_0(Omega )cap L^infty (Omega ) et u_{k}rightarrow u dans H^1_0(Omega )cap L^p(Omega ) quand krightarrow +infty grâce au Théorème 3.5. Considérons une suite varphi _{k,m}...

  • Rque 4.3.

    Si uin L^infty (Omega ) alors la construction précédente fournit une suite de fonctions de {fancyscript{D}}(Omega ) qui converge vers u dans H^1_0(Omega ) et dans L^infty (Omega ) faible-*. En effet, toutes les approximations successives sont alors bornées dans L^infty (Omega ) et donc faiblement-* convergentes. On peut en extraire une su...

  • Rque 4.4.

    (i) Le Lemme 4.6 permet de préciser le sens à donner à l’équation aux dérivées partielles du problème (4.7). Étant donné fin H^{-1}(Omega ), on va donc chercher uin H^1_0(Omega )tel que Cette équation a un sens, puisque l’on a abla uin L^2(Omega ;mathbb{R }^d) et -Delta u=-mathrm{{div}},( abla u)in H^{-1}(Omega ). De plus, upartial ...

  • Rème 4.1.

    Soit Omega un ouvert borné de mathbb{R }^d. Pour tout fin H^{-1}(Omega ) il existe une solution uin H^1_0(Omega )du problème 4.7. On commence par construire une base de Galerkin appropriée. Dans la suite s^{prime }prend les valeurs indiquées dans la remarque (ii) qui suit le Lemme 4.6.

  • A 4.7.

    Il existe une famille dénombrable (w_m)_{min mathbb{N }} d’éléments de {fancyscript{D}}(Omega ) dont les combinaisons linéaires sont denses dans H^1_0(Omega )cap L^{s^{prime }}(Omega ).

  • A 4.8.

    Soit V_m=mathop {text{ vect }}{w_0,w_1,w_2,ldots ,w_m}. Le problème : trouver u_min V_mtel que admet au moins une solution. De plus cette solution satisfait

  • A 4.9.

    La limite faible uin H^1_0(Omega )est solution du problème variationnel : En particulier, uest solution du problème 4.7.

Comment calculer la méthode de Galerkin ?

La méthode de Galerkin consiste à « approcher » l’espace fonctionnel V par un espace V h ? V, de dimension finie, mais toujours de Hilbert, et ce pour le même produit scalaire ! La formulation faible (3.1) est alors résolue dans V h uniquement, avec pour solution u h : (3.2) ¶ { Trouver u h ? V h tel que ? v h ? V h, a ( u h, v h) = ? ( v h).

Quelle est la différence entre la méthode des différences finies et de Galerkin ?

La méthode des différences finies discrétise l’opérateur différentiel ( ?) tandis que les éléments finis (issue de la méthode de Galerkin) approche l’espace fonctionnel. C’est une différence majeure !

Quel est le point-clé dans l’étude de la convergence d’une méthode de Galerkin?

Le point-clé dans l’étude de la convergence d’une méthode de Galerkin est le résultat simple mais important suivant. Lemme 2.1(LemmedeCéa). Soient ?et ??les solutions respectives des problèmes continu (1.1) et discret (2.8) ; alors, (2.23) ?(???????)=0? ?????? Démonstration.

Comment mettre en oeuvre la méthode d’éléments finis?

Mise en oeuvre de la méthode d’éléments ?nis Nousexaminonsdanscechapitreleslignesdirectricespermettantd’e?ectuer une im- plantation informatique de la méthode des éléments ?nis. Nous prenons comme ?lconduc- teur la résolution des problèmes aux limites des chapitres précédents par la méthode des éléments ?nis de plus bas degré.

Notesdecours

M2 - Équations auxdérivées partielles

elliptiques

HervéLeDret

4mars2010

2

Tabledesmatières

1Rappelsen tousgenres 7

1.1Les théorèmesdecon vergence deLebesgue. ........... 7

1.2Lacon volution. ........ ... ... ... ... ... .. .9

1.3Lesdistrib utions.. ...... ... .. ... ... ... ... ..12

1.4Les espacesdeSobole v.. ... ...... ... .. ... ... .14

1.5Dualitéet conver gencesfaibles ........... ...... ..18

1.6Formulationsv ariationnelleset leurinterprétation.... ... ..20

1.7Appendice :topologiesde DetD

... ... ... ... ... ..23

2Théorèmesde pointfixeet applications35

2.1Lesthéorèmes depointfix edeBrouwer etdeSchauder ... ...35

2.2Résolutiond'un problèmemodèlepar uneméthodede pointfixe .48

3Lesopérateurs desuperposition 55

3.1Lesopérateurs desuperpositiondans L

p (Ω)... ... .. ... .55

3.2Lesopérateurs desuperpositiondans H

1 (Ω)... ... .. ... .62

3.3Opérateursde superpositionettrace aubord. ... ... .. ... 72

4Laméthode deGalerkin 75

4.1Résolutiondu problèmemodèlepar laméthodede Galerkin.. .. 75

4.2Laméthode deGalerkinpour lamécaniquedes fluides.. .. ..78

5Principedu maximum,régularitéelliptique etapplications91

5.1Leprincipe dumaximumfort ... ... .. ... ... ... ... 91

5.2Leprincipe dumaximumf aible.. ... .. ...... ... ... 98

5.3Résultatsde régularitéelliptique. ... ... .. ... ... ... 100

5.4Méthodedes sur-et sous-solutions.. ...... ... .. ... .108

6Calcul desvariations etproblèmes quasi-linéaires115

6.1Rappelsd'analyse fonctionnelleetcon vex eabstraites ... ....115

3

4TABLEDESMATIÈRES

6.2Applicationaux problèmesauxlimites quasi-

linéairesscalaires. ... ... ... ... .. ... ... ... ..120

6.3Calculdes variationsdans lecasv ectoriel..... .. ... ... 124

7Calculdes variationset pointscritiques147

7.1Pourquoirechercher despointscritiques ?.. ... .. ...... 147

7.2Lacondition deP alais-Smaleetle lemmed'Ekeland ...... .149

7.3Lelemme dedéformation,le principedumin-max etlethéorème

ducol ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... 160

8Opérateursmonotones etinéquations variationnelles177

8.1Opérateurs monotones,définitionset premièrespropriétés. ... .177

8.2Ex emplesd'opérateursmonotones... ... ... .. ... ... 179

8.3Inéquationsv ariationnelles. ...... ... ... ... .. ... 180

8.4Exemples d'inéquationsvariationnelles... ... ..... ... 185

8.5Opérateurspseudo-monotones ... ... .. ... ... ... ..187

8.6Exemples, lesopérateursdeLeray-Lions.. ... ... .. ... .190

TABLEDESMATIÈRES5

Unebrève bibliographie

Adams,R.A.,SobolevSpaces,AcademicPress, NewY ork,1975. Ekeland,I.etTemam, R.,Analyseconve xeetproblèmesvariationnels,Dunod,

Paris,1974.

tions,Regional ConferenceSeriesinMathematics74, AMS,1990. Gilbarg,D.etTrudinger ,N.S.,EllipticPartial DifferentialEquationsofSe- condOrder ,secondedition, Springer-Verlag, Berlin,1983. Kavian,O.,Introductionàlathéoriedes pointscritiqueset applicationsaux problèmeselliptiques,Springer-V erlag,Paris,NewYork,1993. LeDret,H., Notesdecours demaîtrise: Outilsdebase enanalyseappliquée

2003-2004,http://www .ann.jussieu.fr/

ledret/OBAA-2003-2004.pdf Meyer,Y.etCoifman,R.R., Opérateursmultilinéaires,Hermann,P aris,1991. Rudin,W., Analyseréelle etcomplexe ,Masson,P aris,1975. rantInstituteof MathematicalSciences, NewY ork,1965.

Chapitre4

Laméthodede Galerkin

Laméthodede Galerkinestune méthodetrès généraleettrès robuste.L 'idée delaméthode estlasui vante.P artantd'unproblème posédansun espacededi- desous-espacesde dimensionfinie.On résoutensuitele problèmeapproché, ce quiest engénéralplus facileque derésoudredirectement endimensioninfinie. Enfin,on passed'unef açonoud'une autreàla limitequandonfaittendre ladi- mensiondesespaces d'approximationvers l'infinipourconstruire unesolution duproblèmede départ.Ilc onvient denoterque, outresonintérêt théorique,la méthodedeGalerkin fournitégalement unprocédéconstructif d'approximation.

4.1Résolutiondu problème modèleparla méthode

deGalerkin Onsepropose dereprendrel eproblèmemodèle duchapitre1 commeex emple d'applicationdela méthodedeGa lerkin.Rappelonsle problème.SoitΩunouvert bornédeR N etsoitffonctiondeC 0 (R)∩L (R),ils'agit detrouver unefonction u?H 1 0 (Ω)telleque-Δu=f(u)ausensde D (Ω).Def açonéquiv alente,ils'agit derésoudrele problèmevariationnel ?v?H 1 0 ?u·?vdx= f(u)vdx.(4.1)

Onprocède parétapes.

Lemme11SoitVun espacedeBanac hséparable dedimensioninfinie .Ile xiste unefamillelibr edénombrable {v i i?N ,v i ?V,tellequelescombinaisons linéaires finiesdesv i sontdensesdans V.

Démonstration.VoirLeDret.?

75

76CHAPITRE4. Laméthodede Galerkin

Remarque24i)Réciproquement,s'il existeune tellefamille v i ,alorsl'espace V estséparable. Eneffet, lescombinaisonslinéaires finiesàcoefficientsrationnels desv i formentunensemble égalementdense dansVetdénombrable. ii)Lelemme 11s'e xprimedef açonéquiv alente,siV i =vect{v 0 ,v 1 ,...,v i }est l'espacevectoriel engendréparlesi+1premiersv ecteurs,alorsle sev? i=0 V i est densedansV.? Danslasuite, onappliquerale lemme11 àl'espaceV=H 1 0 (Ω),lequelest séparable.Pourconstruire l'approximationduproblème endimensionfinie, on restreintsimplement laformulationv ariationnelle(4.1)à l'espacedeGalerkin V i Montronsl'e xistencepourceproblèmeendimension finie. Lemme12Pourtouti?N,lepr oblèmevariationnel :trouveru i ?V i telque ?v?V i ?u i

·?vdx=

f(u i )vdx,(4.2) admetaumoins unesolution.

Démonstration.OnmunitV

i duproduitscalaire héritéde L 2 (Ω),c'està dire [u,v] i uvdx,etl'on identifieV i ,espace euclidiendedimensionfinie,et son dualpar l'intermédiairedece produitscalaire.

L'application(u,v)?→a(u,v)=

?u·?vdxestuneforme bilinéairesurV i ParlethéorèmedeRiesz, ilexiste doncuneapplication linéaireA i ?L(V i )telle quea(u,v)=[A i (u),v] i .CommeV i estdedimension finie,cetteapplication est continue.

Demême,il existeune applicationF

i :V i →V i tellequepour toutcouple(u,v), f(u)vdx=[F i (u),v] i .Ilsuf fitdeprendre F i i f,oùΠ i estlaprojection orthogonaleL 2 surV i .Cetteapplication, nonlinéairecette fois,estég alement continue,commecomposée d'applicationscontinues(on utiliseicile théorèmede

Carathéodory).

Leproblème(4.2) seréécrit donc

?v?V i ,[A i (u i ),v] i =[F i (u i ),v] i ,(4.3) soit,enintroduisant lafonctioncontinue P i :V i →V i ,P i (u)=A i (u)-F i (u), P i (u i )=0.(4.4) Pourrésoudre ceproblème,on vaappliquer lethéorème26. Pourcela,il faut calculer[P i (u),u] i surunesphère. Pardéfinition duproduitscalaire surV i ,nous

4.1.Résolutiondu problèmemodèlepar laméthodede Galerkin77

obtenons [P i (u),u] i P i (u)udx=a(u,u)- f(u)udx ≥??u? 2 L 2 -?f? L (R) (mesΩ) 1/2 ?u? L 2 ≥??u? 2 L 2 -C ?f? L (R) (mesΩ) 1/2 ??u? L 2 =??u? L 2 (??u? L 2 -C ?f? L (R) (mesΩ) 1/2 oùC estlaconstante del'inégalité dePoincaré.Nous voyons doncque ??u? L 2 ≥C ?f? L (R)quotesdbs_dbs13.pdfusesText_19
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