equa-diff

UPMC Master P&A/SDUEE
UE MU4PY209
Méthodes Numériques et Calcul Scientifique
Résolution numérique des
équations différentielles ordinaires (EDO)
2019–2020 [email protected]

EDO TABLE DES MATIÈRES TABLE DES MATIÈRES
Table des matières
1 Introduction 6
1.1 Problème différentiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2 Deux types de problèmes différentiels à résoudre . . . . . . . . . . . 7
1.3 Équations différentielles scalaires du 1er ordre . . . . . . . . . . . . 8
1.4 Unicité et problème bien posé : conditions suffisantes . . . . . . . . . 9
1.5 Méthodes de résolution numérique et notations . . . . . . . . . . . . 10
2 Méthodes à un pas 12
2.1 Méthodes du premier ordre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.1 Méthode d’Euler progressive (explicite) . . . . . . . . . . . . 13
2.1.2 Méthode d’Euler rétrograde (implicite) . . . . . . . . . . . . . 15
MNCS 1 2019-2020

EDO TABLE DES MATIÈRES TABLE DES MATIÈRES
2.2 Méthodes du deuxième ordre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.1 Méthode du point milieu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.2 Méthode d’Euler modifiée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.3 Méthode de Heun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3 Méthodes de Runge Kutta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.1 Méthode de Runge Kutta d’ordre 3 . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.2 Méthode de Runge Kutta d’ordre 4 . . . . . . . . . . . . . . 26
2.4 Erreur absolue en fonction du pas et de l’ordre . . . . . . . . . . . . 27
2.5 Exemple de l’équation logistique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.5.1 Exemple d’erreur totale maximale en simple précision . . . . . 31
2.5.2 Exemple d’erreur totale maximale en double précision . . . . . 32
2.5.3 Comparaison des erreurs maximales simple/double précision . 33
MNCS 2 2019-2020

EDO TABLE DES MATIÈRES TABLE DES MATIÈRES
3 Méthodes à plusieurs pas 34
3.1 Méthodes d’Adams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.1.1 Adams Bashforth : explicite, pas de terme en f(ti+1, ui+1). 35
3.1.2 Adams Moulton : implicite, terme en f(ti+1, ui+1). . . . . . 36
3.1.3 Comparaison méthodes à un pas et Adams explicite . . . . . . 38
3.1.4 Méthodes de prédicteur correcteur . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2 Méthodes adaptatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2.1 Exemple : méthode de Runge Kutta Fehlberg . . . . . . . . . 41
3.3 Méthodes d’extrapolation de Gragg . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3.1 Principe de l’extrapolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3.2 Comparaison méthodes à un pas et extrapolation de Gragg . . 45
4 Les EDO du premier ordre en pratique 46
MNCS 3 2019-2020

EDO TABLE DES MATIÈRES TABLE DES MATIÈRES
4.1 Échelles de temps et problèmes raides . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.2 Validation des résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.3 Structure des programmes de résolution d’EDO du 1er ordre . . . . . 48
5 Systèmes d’EDO du 1er ordre 49
5.1 Méthodes scalaires explicites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.2 Équations de Lotka-Volterra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6 Équations différentielles d’ordre supérieur 58
6.1 Exemple............................... 59
6.2 Exemple d’EDO d’ordre 2 : le pendule . . . . . . . . . . . . . . . . 60
7 Implémentation vectorielle 69
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
MNCS 4 2019-2020