[PDF] Equations Différentielles Ordinaires Equations aux Dérivées



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Chapitre 3 Equations différentielles ordinaires

Chapter 3: Equations différentielles ordinaires 43 Grâce au théorème de Cauchy-Lipschitz, on sait que au moins locale-ment et sous certaines conditions, le problème de Cauchy est bien posé



Résolution numérique des Équations Différentielles Ordinaires

6 Chapitre 1 Interpolation polynomiale Définition 1 1 1 — Polynômes de Lagrange On définit les polynômes de Lagrange associés aux points(x



Équations différentielles ordinaires

[Bou12]G Boularas, Equations différentielles, Cours de L3 de l’Université de Limoges (2012) [Dem06]J P Demailly, Analyse numérique des équations différentielles, EDP Sciences, 2006 [EK05]L Edelstein-Keshet, Mathematical models in biology, SIAM, 2005 49



Notes de cours: Équations Différentielles Ordinaires

Dans ce cours, nous ne considérerons que des systèmes différentiels sous forme dite normale (appelés parfois équations résolues par rapport aux dérivées), ou pouvant se ramener à un système sous forme normale Définition 1 3 On appelle système différentiel normal tout système différentiel du premier ordre de la forme u0= f(t;u



Equations Différentielles Ordinaires Equations aux Dérivées

est-ce que les solutions xet yrestent proches au cours du temps? —Etc Nous ne répondrons que très partiellement à un certain nombre de ces questions dans la suite Il se trouve que la réponse à beaucoup de ces questions repose d’une façon ou d’une autre sur la première d’entre elles On appelle cela la



Outils Mathématiques pour l’Ingénieur Equations

Définition 1 On appelle Equation Différentielle Ordinaire (ED0) toute relation entre une fonction y, ses dérivées succes-sives et une variable indépendante x F(x,y(x),y′(x),··· ,y(n)(x)) = 0 La fonction y est une variable dépendante, (inconnue) de l’EDO L’ordre de l’EDO est n si la dérivée d’ordre le plus élevé est d



Chapitre 9 : Equations différentielles

Chapitre 9 : Equations différentielles Terminale STI2D 2 SAES Guillaume II Equation différentielle du type ????′+ ????= A Solution générale de l’équation différentielle ????′+ ????=????

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Equations Différentielles Ordinaires

Equations aux Dérivées Partielles

Franck Boyer

M1 Enseignement Supérieur et Recherche

Université Paul Sabatier - Toulouse 3

26 février 2021

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franck.boyer@math.univ-toulouse.fr ii

F. BOYER- VERSION DU26FÉVRIER2021

TABLE DES MATIÈRESiii

Table des matières

I Equations différentielles ordinaires

1

I Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

II Préliminaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

II.1 Les fonctions lipschitziennes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

II.2 Equations et inéquations différentielles linéaires scalaires. Lemmes de Gronwall . . . . . . . . .

10

II.3 Notions de solution d"un problème de Cauchy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

III Théorème de Cauchy-Lipschitz global et applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

III.1 Enoncé et preuve du théorème principal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

III.2 Equations différentielles linéaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

III.3 Flot d"un champ de vecteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

IV Théorème de Cauchy-Lipschitz local . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

IV.1 Enoncé et preuve du théorème principal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

IV.2 Critères de globalité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

V Equilibres. Stabilité. Stabilité asymptotique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

V.1 Cas linéaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

V.2 Cas nonlinéaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34

VI Etude détaillée d"un exemple : un modèle de propagation d"épidémie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45

VI.1 Existence et unicité d"une solution globale en temps positif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45

VI.2 Etats d"équilibre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

46

VI.3 Quelques exemples de trajectoires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48

II Equations de transport53

I Modèles de transport en 1D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

53

I.1 Trafic routier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

53

I.2 Dynamique des gaz simplifiée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

56

II Modèles de transport en dimension quelconque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

58

II.1 Théorème de Liouville . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

58

II.2 Théorème de Reynolds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

59

II.3 Exemple d"application à l"établissement d"une loi de conservation . . . . . . . . . . . . . . . . .

60

III Solutions classiques des équations de transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

61

III.1 Cas général de l"équation de convection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

61

III.2 Cas particuliers importants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

63

III.3 Autres applications de la méthode des caractéristiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

64

IV Solutions faibles de l"équation de transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

67

IV.1 Définition des solutions faibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

67

IV.2 Validité de la formule de représentation par les caractéristiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

70

IV.3 Unicité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

72

IV.4 Le problème des conditions aux limites / conditions au bord . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

72

IV.5 Un exemple de modèle en dynamique des populations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

75
III Formulations variationnelles de problèmes aux limites elliptiques 81

I Le problème de la corde/membrane élastique à l"équilibre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

81

I.1 Présentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

81

I.2 Les questions mathématiques que l"on veut résoudre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

83
I.3 Comment montrer l"existence d"un minimiseur? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

II Espaces de Sobolev en dimension 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

88

II.1 L"espaceH1(]a;b[). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .88

II.2 L"espaceH10(I). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92

II.3 Résolution du problème variationnel pour la corde élastique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

93

F. BOYER- VERSION DU26FÉVRIER2021

ivTABLE DES MATIÈRESIII Formulation variationnelle d"un problème aux limites linéaires. Théorème de Lax-Milgram. . . . . . . .94

III.1 Principe général . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

95

III.2 Exemples en dimension 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

96

III.3 Preuve du théorème de Lax-Milgram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

103

IV Espaces de Sobolev et problèmes elliptiques sur un domaine deRd. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .104

IV.1 Espaces de Sobolev sur un domaine deRd. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .104

IV.2 Problèmes aux limites elliptiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

108

A Eléments de la théorie des distributions

113

I Intégration par parties en dimensiond: le cas des fonctions à support compact . . . . . . . . . . . . . . .113

II Un lemme important de la théorie de l"intégration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

114

III Espace des fonctions test. Espace des distributions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

117

III.1 Définitions, exemples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

117

III.2 Convergence au sens des distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

121

IV Dérivation au sens des distributions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

122

B La formule de Stokes125

I Hypersurfaces deRd. Intégrale de surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125

I.1 Courbes planes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

125

I.2 Intégrales sur des hypersurfaces deRd. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .127

II Domaines réguliers deRd. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .129

III Formule de Stokes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

129

III.1 Le cas du demi-espaceRd+. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .129

III.2 Le cas du demi-espace à frontière non plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

130

F. BOYER- VERSION DU26FÉVRIER2021

1

Chapitre I

Equations différentielles ordinaires

I Introduction

Le but de ce chapitre est l"étude des équations différentielles ordinaires (du premier ordre) de la forme

x

0=f(t;x);

oùxest unefonction inconnuede la variable réelletet l"applicationfest une donnée du problème. A chaque instantt,

la valeur dex(t)est appelée l"état du système à l"instanttet l"espace dans lequel la fonction inconnuexprend ses valeurs

est appeléespace d"états. Comme la mécanique est principalement à l"origine de l"étude de ces équations, on parlera

souvent devariable de tempspour la variabletet detrajectoire du systèmepour une solutiont7!x(t).

Dans toute la suite, l"espace d"états considéré sera un (sous-ensemble d"un) espace vectoriel de dimension finie. De

très nombreuses questions se posent sur l"équation ci-dessus :

Si on se un donne un état initial du système, c"est-à-dire un i nstantinitial t0et l"étatx0du système à cet instantt0,

existe-t"il une ou plusieurs solution(s) de l"équation qui satisfont à la condition initialex(t0) =x0?

Si une telle solution e xiste,peut-on la calculer e xplicitement? Si le calcul e xpliciteest impossible, peut-on au moins les décrire qualitati vement?

Si fest une fonction périodique du temps, existe-t"il des solutions périodiques en temps de l"équation?

Si xetysont deux solutions de l"équation, associées à des données initialesx0ety0proches (en un sens à préciser),

est-ce que les solutionsxetyrestent proches au cours du temps?

Etc ...

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