Méthodes numériques de résolution d’équations diﬀérentielles

Intégration numérique des fonctions 1 Introduction 2 Méthodes d’intégrations numériques 2 1 Méthode des trapèzes 2 2 Méthode de Simpson 3 Fonctions MATLAB utilisées pour l'intégration numérique Résolution numérique des équations différentielles et des équations aux dérivées partielles 1 Introduction 2 Équations

Résolution numérique des équations différentielles ordinaires

Méthodes analytiques pour la résolution des équations différentielles (Math 2) Programmation par le logiciel Matlab (Méthodes Numériques S1) Objets du chapitre Développer les méthodes numériques de résolution d’un problème à valeur initiale Comparer la précision des différentes méthodes

Méthodes numériques de résolution d’équations diﬀérentielles

connaissance d’une solution exacte nous permet de tester diﬀérentes méthodes de résolution numérique d’équations diﬀérentielles Pour résoudre les équations diﬀérentielles d’ordre 2 de l’éq (16) on va déﬁnir des fonctions du système u(t) (pour ne pas confondre avec la position y(t)) et invoquer les substitutions de

Résolution numérique des équations différentielles ordinaires

1 3 Équations différentielles scalaires du 1 er ordre Étudier d'abord les équations différentielles scalaires du premier ordre ) famille de solutions y (t) à un paramètre (y0) d y d t = f (t; y (t)) avec y (t0) = y0 condition initiale Les EDO d'ordre supérieur se ramènent à des systèmes différentiels couplés du

Résolution numérique des Équations Différentielles Ordinaires

Résolution numérique des Équations Différentielles Ordinaires L3 Mapi3 Table des matières 2 Intégration numérique

Méthodes Numériques Appliquées (Résolution numérique des

résolvent des équations telles que l’équation de continuité, de conservation de la quantité de mouvement, de conservation de l’énergie ou de conservation de la masse Du fait de la complexité de la géométrie, ainsi que de la variation dans le temps ou dans l’espace des conditions aux limites, ces équations différentielles ne

Résolution des Équations Différentielles

Résolution des Équations Différentielles •Déjà vues •Le plus souvent, résolution analytique •Nombreux problèmes sans solution analytique –Par ex pb à 3 corps –Résolution numérique † a˙ y ˙ +by ˙ +cy=0 D=b2-4ac D>0,y=ler1x+mer2x D

EQUATIONS DIFFERENTIELLES´ ET METHODES NUM´ ERIQUES´ POUR

TABLE DES MATI`ERES v 10 3 M´ethodes de Runge–Kutta explicites d’ordre 2, 3 et 4 213 10 4 Convergence des m´ethodes num´eriques 221 10 5

Travaux Pratiques Méthodes Numériques

On traite la résolution numérique des équations différentielles ordinaires dans le chapitre quatre Deux méthodes sont présentées à savoir, la méthode d’Euler et la méthode de Runge-Kutta

Polycopié de Travaux Pratiques : Méthodes Numériques

TP 1 : Résolution des équations non linéaires 1 TP 2 : Interpolation polynômiale 5 TP 3 : Intégration numérique de fonctions 7 TP 4 : Résolution des équations différentielles ordinaires 9 TP 5 : Résolution des systèmes d’équations linéaires 11 Annexe 1 : Proposition de solution du TP 1 13

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Méthodes numériques de résolution d"équations différentielles

Brian Stout

brian.stout@fresnel.fr

Université de Provence

Institut Fresnel, Case 161 Faculté de St Jérôme

Marseille, France

Fevrier 2007

Table des matières

1 Problème de Cauchy :2

2 Transformations vers un problème de Cauchy3

2.1 Traitement d"une équation différentielle d"ordre>1. . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.2 Equations différentielles à coefficients constants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.3 Exemple - Vol d"un point solide dans un champ de pesanteur.. . . . . . . . . . . 4

2.4 Détermination des paramètres initiaux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

3 Solutions numériques des équations différentielles9

3.1 Formulation générale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.2 Méthode itérative de Picard. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.2.1 Exemple : méthode de Picard pour résoudre l"équationd

dty(t) =t-y(t). 11

3.3 Méthodes basées sur la série de Taylor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3.3.1 Méthode d"Euler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.3.2 Méthodes de Taylor d"ordre plus élevés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.4 Runge Kutta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.4.1 Runge Kutta d"ordre 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.4.2 Runge Kutta : ordres 3 et 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.4.3 Runge Kutta à pas adaptatif et méthodes prédiction correction. . . . . . 21

3.5 Fonctions Euler et Runge Kutta adaptée ày?Rm. . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4 Applications22

4.1 Mécanique des points solides. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4.1.1 Mouvement d"un point solide avec forces de frottement:. . . . . . . . . . 22

4.1.2 Orbite d"un satellite :. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4.2 Circuits électriques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.3 Evolution temporelle des populations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

Calcul Formel et Numérique : Licence sciences et technologies, deuxième année Année 2006-2007

Une équation différentielle est une équation qui dépend d"une variabletet d"une fonctionx(t)

et qui contient des dérivées dex(t). Elle s"écrit : F t,x(t),x (1)(t),...,x(m)(t)? = 0oùx(m)(t)≡d mx dtm(1)

L"ordre de cette équation est déterminé par sa dérivée d"ordre le plus élevé. Donc l"équation (

1) est d"ordrem. La solution du problème consiste à trouver une fonctionx(t)qui soit solution de ( 1) et dérivable sur un intervalle fini det?[t

0,t0+T]deR. Souvent dans les applications, la variable

treprésente le temps, ett

0est alors l"instant initial. En général, il n"existe une solution unique

à une équation différentielle qu"une fois certaines conditions limites imposées surx(t)et ses

dérivées. Dans l"exemple de l"équation (

1) lesconditions initialessont les valeurs dex(t0),

x (1)(t0),...,x(m-1)(t0).

1 Problème de Cauchy :

La plupart des méthodes numériques pour résoudre les équations différentielles s"appliquent

à des problèmes du typeproblème de Cauchysuivant le nom donné par les mathématiciens. Ce

problème se formule de la manière suivante :

Trouvery(t)définie et dérivable sur[t

0,t0+T]et à valeurs dansRmtelle que :

dy(t) dt=f(t,y(t))?t?[t0,t0+T] y(t

0) =y0

(2) oùf(t,y(t))est une fonction deR m+1dansRmety0?Rm. Concrètement l"expression, "trouver y(t)à valeurs dansR mavecy0?Rm" consiste à dire pour des applications comme Matlab, que l"inconnuey(t)est un vecteur demfonctions inconnues avec pour condition limite le vecteur y 0: y(t) =?????y 1(t) y 2(t) y m(t)????? y

0=y(t0) =?????y

1(t0) y 2(t0) y m(t0)????? =?????y 0,1 y0,2... y 0,m ?(3) De même,f(t,y(t))est une fonction detet du vecteury(t)et doit retourner un vecteur colonne : dy(t) dt≡ddt?????y 1 y2... y m ?=f(t,y(t))≡?????f 1 f2... f m ?(4)

Pour la plupart des problèmes qui intéressent les scientifiques et les ingénieurs, des théo-

rèmes mathématiques assurent l"existence et l"unicité d"une solution au problème de Cauchy.

Néanmoins, souvent la solution ne peut être expriméeanalytiquement. Pour de tels problèmes,

on doit donc chercher à déterminer la fonctiony(t)par des méthodesnumériques. 2

Calcul Formel et Numérique : Licence sciences et technologies, deuxième année Année 2006-2007

2 Transformations vers un problème de Cauchy

Dans Matlab (Octave), de puissant programmes (fonctions) existent sous le nom générique de ODEs (Ordinary Differential Equation Solvers). Ils résolvent les systèmes de la forme de l"équation (

2). Le travail principal d"un utilisateur de Matlab consistedonc le plus souvent à

transformer son problème sous la forme de l"équation (

2). Dans bien des domaines, surtout ceux

des équations à dérivées partielles, les transformations d"un problème donné sous la forme d"un

problème de Cauchy sont toujours d"actualité comme problèmes de recherche.

2.1 Traitement d"une équation différentielle d"ordre>1

Dans ce cours, nous ne regarderons que la transformation d"une équation différentielle d"ordre

supérieur à 1, en problème de Cauchy. Considérons donc une équation différentielle d"ordrem

de la forme suivante : x (m)(t)≡dx (m-1) dt=?? t,x(t),x (1)(t),...,x(m-1)(t)? ?t?[t0,t0+T](5)

Posons de nouvelles fonctionsy

i(t)aveci?[1,2,...,m]définies telles que : y

1(t)≡x(t), y2(t)≡x(1)(t),..., ym(t)≡x(m-1)(t)(6)

Grâce à ces définitions, l"équation (

5) d"ordrems"écrit comme un système deméquations

dy1(t) dt=y(2)(t) dym-1(t) dt=y(m)(t) dym(t) dt=?(t,y1(t),y2(t),...,ym(t))(7) Ce système a donc la forme d"un problème de Cauchy en posant : y(t) =?????y 1(t) y m-1(t) y m(t)????? etf(t,y(t)) =?????y 2(t) y m(t) ?(t,y

1,...,ym)?????

(8)

L"équation (

5) s"écrira alors :

dy(t) dt=f(t,y(t))?t?[t0,t0+T](9) Pour obtenir alors un problème de Cauchy, il faut spécifier les conditions initiales(y

1(t0),y2(t0),

...,y

m(t0))ce qui revient à dire d"après l"équation (6), qu"il faut connaîtrex(t)et ses dérivées

jusqu"à l"ordrem-1au 'temps" initialt

0:?x(t0),x(1)(t0),...,x(m-1)(t0)?. On remarque qu"une

équation différentielle d"ordremd"une seule fonction inconnue,x(t), se traduit par un problème

de Cauchy avecmfonctions inconnues,y i(t), etmconditions initiales. 3

Calcul Formel et Numérique : Licence sciences et technologies, deuxième année Année 2006-2007

2.2 Equations différentielles à coefficients constants

En particulier, les équations différentielles à coefficientsconstants constituent une classe

d"équations de la forme de l"éq.(

5). Notamment quand?est de la forme :

t,x(t),x (1)(t),...,x(m-1)(t)? l"équation l"éq.(

5) peut s"écrire comme une équation différentielle à coefficients constants :

1x(t) +a2x(1)(t) +...+amx(m-1)(t) +x(m)(t) =s(t)(11)

où la fonctions(t)est communément appelée un terme source.

Pour des équations de la forme de l"éq.(

11), les substitutions de l"éq.(6) amènent à un système

d"équations de forme matricielle. Par exemple, une équation à coefficients constants d"ordre4

s"écrit : a

1x(t) +a2x(1)(t) +a3x(2)(t) +a4x(3)(t) +x(4)(t) =s(t)(12)

Après les substitutions de l"équation (

6), cette équation s"écrit :

1y1(t) +a2y2(t) +a3y3(t) +a4y4(t) +ddty4(t) =s(t)(13)

et l"équation (

9) peut s"écrire sous une forme matricielle :

d dt???? y 1(t) y 2(t) y 3(t) y

4(t)????

=????0 1 0 00 0 1 00 0 0 1-a1-a2-a3-a4 ?????y 1(t) y 2(t) y 3(t) y

4(t)????

+????000 s(t)???? (14)

Même s"il est intéressant de voir ce type de problème comme une équation matricielle, nous ne

devons pas oublier que la formulation de l"équation (

9) nous permet de traiter bien des problèmes

qui ne prennent pas la forme d"une équation matricielle. On remarque aussi qu"il y a beaucoup de zéros dans l"équation (

14) et donc une multiplication de matrice n"est pas la façon la plus

éfficace de programmerf(t,y(t))(Voir la fonction (A)de la section2.3ci-dessous).

2.3 Exemple - Vol d"un point solide dans un champ de pesanteur.

Imaginons qu"on cherche à résoudre numériquement le problème du mouvement d"un point solide de massemà la position-→x(t) =x?x+y?y+z?zayant une vitesse-→v= d-→x dtdans un champ de pesanteur-→g. (figure 1) La mécanique du point nous dit qu"il suffit d"appliquer la relation fondamentale de la dyna- mique au point solide : m d-→v dt=-→P=m-→g(15)

Puisqu"il s"agit d"une équation vectorielle, nous avons enprincipe trois équations scalaires à

résoudre, mais nous savons que le vol du point s"effectue dansun plan parallèle au plan défini

par(xOz). On arrive donc à un système de deux équations différentielles de deuxième ordre à

résoudre : d2x dt2= 0 d2z dt2=-g(16) 4

Calcul Formel et Numérique : Licence sciences et technologies, deuxième année Année 2006-2007

v(t) P xzv0 ?0 Fig.1 - Mouvement d"un point de masse dans un champ de pesanteur

Avec les conditions limites

x(t

0) =x0x(1)(t0) =v0,x

z(t0) =z0z(1)(t0) =v0,z(17) nous connaissons la solution exacte de chacune de ces deux équations : x(t) =x

0+v0,xt

z(t) =z

0+v0,zt-12gt

2(18)

Nous voulons simplement tester notre capacité à trouver la solution de façon numérique. La

connaissance d"une solution exacte nous permet de tester différentes méthodes de résolution numérique d"équations différentielles. Pour résoudre les équations différentielles d"ordre2de l"éq.(

16) on va définir des fonctions

du systèmeu(t)(pour ne pas confondre avec la positiony(t)) et invoquer les substitutions de l"éq.( 6) : u

1(t)≡x(t)

2(t)≡x(1)(t) =vx(t)(19)

L"équation

d2x dt2= 0devient donc le système matriciel : d dt? u 1(t) u 2(t)? =?0 10 0?? u 1(t) u 2(t)? (20)quotesdbs_dbs44.pdfusesText_44

[PDF] Méthodes numériques de résolution d’équations diﬀérentielles

Brian Stout

Université de Provence

Marseille, France

Fevrier 2007

Table des matières

1 Problème de Cauchy :2

2 Transformations vers un problème de Cauchy3

2.1 Traitement d"une équation différentielle d"ordre>1. . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.2 Equations différentielles à coefficients constants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.3 Exemple - Vol d"un point solide dans un champ de pesanteur.. . . . . . . . . . . 4

2.4 Détermination des paramètres initiaux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

3 Solutions numériques des équations différentielles9

3.1 Formulation générale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.2 Méthode itérative de Picard. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.2.1 Exemple : méthode de Picard pour résoudre l"équationd

3.3 Méthodes basées sur la série de Taylor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3.3.1 Méthode d"Euler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.3.2 Méthodes de Taylor d"ordre plus élevés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.4 Runge Kutta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.4.1 Runge Kutta d"ordre 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.4.2 Runge Kutta : ordres 3 et 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.4.3 Runge Kutta à pas adaptatif et méthodes prédiction correction. . . . . . 21

3.5 Fonctions Euler et Runge Kutta adaptée ày?Rm. . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4 Applications22

4.1 Mécanique des points solides. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4.1.1 Mouvement d"un point solide avec forces de frottement:. . . . . . . . . . 22

4.1.2 Orbite d"un satellite :. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4.2 Circuits électriques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.3 Evolution temporelle des populations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

0,t0+T]deR. Souvent dans les applications, la variable

0est alors l"instant initial. En général, il n"existe une solution unique

1) lesconditions initialessont les valeurs dex(t0),

1 Problème de Cauchy :

Trouvery(t)définie et dérivable sur[t

0,t0+T]et à valeurs dansRmtelle que :

0) =y0

0=y(t0) =?????y

2 Transformations vers un problème de Cauchy

2). Le travail principal d"un utilisateur de Matlab consistedonc le plus souvent à

2). Dans bien des domaines, surtout ceux

2.1 Traitement d"une équation différentielle d"ordre>1

Posons de nouvelles fonctionsy

1(t)≡x(t), y2(t)≡x(1)(t),..., ym(t)≡x(m-1)(t)(6)

Grâce à ces définitions, l"équation (

5) d"ordrems"écrit comme un système deméquations

1,...,ym)?????

L"équation (

5) s"écrira alors :

1(t0),y2(t0),

0:?x(t0),x(1)(t0),...,x(m-1)(t0)?. On remarque qu"une

2.2 Equations différentielles à coefficients constants

5). Notamment quand?est de la forme :

5) peut s"écrire comme une équation différentielle à coefficients constants :

1x(t) +a2x(1)(t) +...+amx(m-1)(t) +x(m)(t) =s(t)(11)

Pour des équations de la forme de l"éq.(

11), les substitutions de l"éq.(6) amènent à un système

1x(t) +a2x(1)(t) +a3x(2)(t) +a4x(3)(t) +x(4)(t) =s(t)(12)

Après les substitutions de l"équation (

6), cette équation s"écrit :

1y1(t) +a2y2(t) +a3y3(t) +a4y4(t) +ddty4(t) =s(t)(13)

9) peut s"écrire sous une forme matricielle :

4(t)????

4(t)????

9) nous permet de traiter bien des problèmes

14) et donc une multiplication de matrice n"est pas la façon la plus

2.3 Exemple - Vol d"un point solide dans un champ de pesanteur.

Avec les conditions limites

0) =x0x(1)(t0) =v0,x

0+v0,xt

0+v0,zt-12gt

16) on va définir des fonctions

1(t)≡x(t)

2(t)≡x(1)(t) =vx(t)(19)

L"équation