TP7 - Équations différentielles : résolution numérique

Exercice 1. Schéma d'Euler explicite

Question 1.

Question 2.

Application : équation de la chaleur instationnaire

Question 1.

Question 2.

Exercice 2. Méthodes symplectiques

Question 1.

On dérive la quantité $H(p,q)$ en fonction du temps, on trouve $$\dfrac{\partial}{\partial t} H(p(t),q(t)) = p'(t) \nabla_p H(p,q) + q'(t) \nabla_q H(p,q) =0$$

Donc l'Hamiltonien est constant au cours du temps.

On peut utiliser le théorème de sortie de tout compact : comme on suppose que les courbes de niveaux de $H$ sont compactes, on sait qu'il n'y a pas d'explosion en temps fini et donc que les solutions maximales sont globales.

Question 2.

Euler Explicite : $$\begin{pmatrix} p_{i+1} \\ q_{i+1} \end{pmatrix} =\begin{pmatrix} p_{i} \\ q_{i} \end{pmatrix} + h \begin{pmatrix} 0 & -2 \\ 2 & 0\end{pmatrix}\begin{pmatrix} p_{i} \\ q_{i} \end{pmatrix} $$

Euler Implicite : $$\begin{pmatrix} p_{i+1} \\ q_{i+1} \end{pmatrix} =\begin{pmatrix} p_{i} \\ q_{i} \end{pmatrix} + h \begin{pmatrix} 0 & -2 \\ 2 & 0\end{pmatrix}\begin{pmatrix} p_{i+1} \\ q_{i+1} \end{pmatrix} $$ $$\begin{pmatrix} 1 & 2h \\ -2h & 1\end{pmatrix}\begin{pmatrix} p_{i+1} \\ q_{i+1} \end{pmatrix} =\begin{pmatrix} p_{i} \\ q_{i} \end{pmatrix} $$ Et on a $$\begin{pmatrix} 1 & 2h \\ -2h & 1\end{pmatrix}^{-1} = \dfrac{1}{1+4h^2} \begin{pmatrix} 1 & -2h \\ 2h & 1\end{pmatrix}$$

Question 3.

Euler Symplectique : $$\begin{pmatrix} p_{i+1} \\ q_{i+1} \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} p_{i} \\ q_{i} \end{pmatrix} + h \begin{pmatrix} 0 & -2 \\ 2 & 0\end{pmatrix}\begin{pmatrix} p_{i} \\ q_{i+1} \end{pmatrix}$$