Equation de Korteweg
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Equation de Korteweg
Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques Equation de Korteweeg-de Vries : de la modélisation au calcul scientifique Mostafa ABOUNOUH [email protected] Univérsité Cadi Ayyad F.S.T. Marrakech-Maroc Essaouira, 23 et 24 Novembre 2012 Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques Plan 1 2 3 Motivation et découverte Modélisation Interprétation de l’équation et analyse numérique Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques Motivation L’équation de Korteweg-de Vries modélise la propagation d’ondes longues de faibles amplitudes à la surface d’un canal peu profond. Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques Les ondes à la surface de l’eau sont très intéressantes pour le physicien. Elles correspondent à de nombreux phénomènes : vagues en mer Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques ondes de sillage des bateaux Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques raz-de-marées Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques Elles comportent des classes d’ondes très variées selon les conditions aux limites : ondes linéaires non dispersives −→ ondes non-linéaires dispersives. Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques Découverte Onde solitaire observée par John Scott Russel en 1834. Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques J’observais le mouvement d’un bateau qui était tiré rapidement le long d’un canal étroit par une paire de chevaux quand, soudain, le bateau s’arrêta ... une masse d’eau qu’il avait mise en mouvement s’accumula autour de la proue du bateau puis l’abandonna, roula vers l’avant à grande vitesse prenant la forme d’une grande élévation solitaire, d’un paquet d’eau rond, à la forme douce et bien définie, qui continua sa course dans le canal, apparemment sans changement de forme ou diminution de vitesse. Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques Je la suivis à cheval et la dépassais alors qu’elle roulait encore à la vitesse de 8 ou 9 miles à l’heure, préservant sa forme originale de 30 pieds de long et d’un pied et demi en hauteur.” extrait de J. Scott Russel, Report on waves. In John Murray, editor, Report on the Fourteenth Meeting, pages 311-390 + 57 plates, London, 1844, British Association for the advancement of science Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques Equations de base et conditions aux limites 60 ans après la découverte, le phénomène est mis en équation par Korteweg et de Vries en 1895. G.B. Whitham, Linear and Nonlinear waves, John Wiley and Sons, New York (1974). A. Miranville, R. Temam, Mathematical Modelling in Continuum Mechanics , Cambridge University Press , (1999). M. Peyrard, T. Dauxois , Physique des solitons , EDP Sciences/CNRS Editions Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques Fluide parfait décrit par le système d’Euler : Système d’Euler → ( → − − − → − − − v .∇ → v = ρ→ g − ∇P ρ∂ v + ρ → ∂t → − → ∇.− v = 0 − ρ : masse volumique du fluide, → v : champ de vitesse. → − g : accélération de la pesanteur, P : pression dans le fluide. Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques Pour obtenir l’équation de propagation des ondes de surface, on ajoute au système d’Euler les relations imposées par les conditions aux limites. Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques Condition à la limite cinématique Vn v.n F(r,t) = 0 −r , t) = 0 : équation de la surface du fluide F (→ → − → ∇F (−r , t) → − n = → − − : normale à la surface r , t) ∇F (→ Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques La composante normale de la vitesse d’un point de la surface est : − d→ r0 − − Vn (→ r0 , t) = → n. dt → − → − − → − v ( r , t).→ n (H.1) Vn ( r0 , t) = − lim− → → r −→ r0 Il découle de l’équation de la surface du fluide − − − ∂F d→ r0 → + . ∇F (→ r0 , t) = 0 ∂t dt − 1 ∂F . Donc Vn (→ r0 , t) = − → − → ∂t − ∇F ( r0 , t) Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques (H.1) =⇒ − → − − ∂F (→ r0 , t) → − +− v (→ r0 , t). ∇F (→ r0 , t) = 0. (1) ∂t − Si → v = (u, v , w ) et F = η(x, y , t) − z, l’équation (1) =⇒ w= ∂η ∂η ∂η +u +v ∂t ∂x ∂y Mostafa ABOUNOUH (2) Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques Condition à la limite physique on néglige la tension superficielle et on suppose la pression dans le fluide en un point très proche (H.2) de la surface est égale à la pression PA du gaz qui surmonte le fluide. Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques Formulation mathématique du problème On se place dans le cas d’un mouvement bidimensionnel et on note par u 0 (x 0 , z 0 , t 0 ), 0, w 0 (x 0 , z 0 , t 0 ), les composantes du vecteur vitesse et z 0 = h0 + η 0 (x 0 , t 0 ) l’équation de la surface, où h0 est la hauteur de fluide au repos. Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques Le fluide est surmonté par un gaz dont la pression PA0 est constante et uniforme dans l’espace et est soumis à la densité → − − volumique de force f = ρ→ g due à la pesanteur. (H.3) on suppose le fluide irrotationnel =⇒ ∂u 0 ∂w 0 − =0 ∂z 0 ∂x 0 Mostafa ABOUNOUH (3) Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques Les équations de définition du problème comprennent : Le système d’Euler : ∂u 0 ∂u 0 ∂w 0 1 ∂P 0 + u0 0 + w 0 0 = − ∂t ∂x ∂x ρ ∂x 0 (4) ∂w 0 ∂w 0 ∂w 0 1 ∂P 0 + u0 0 + w 0 0 = − −g ∂t ∂x ∂z ρ ∂z 0 (5) ∂u 0 ∂w 0 + =0 ∂x 0 ∂z 0 (6) Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques La condition à la limite au fond (z 0 = 0) w 0 (z 0 = 0) = 0 (7) condition à la limite cinématique à la surface w0 = 0 ∂η 0 0 ∂η + u en z 0 = h0 + η 0 (x 0 , t 0 ) ∂t 0 ∂x 0 (8) La condition à la limite physique à la surface PA − P 0 = 0 en z 0 = h0 + η 0 (x 0 , t 0 ) (9) Les conditions initiales données à t 0 = 0 Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques Pour éliminer des équations ci-dessus la pression du gaz qui surmonte le fluide, on utilise les solutions statique et dynamique : − solution statique (→ v = 0) 0 1 ∂P (5) =⇒ −g − ρ 0 = 0 ∂z D’où la relation fondamentale de l’hydrostatique P00 = −g ρ(z 0 − h0 ) + PA On définit la pression dynamique p 0 (x 0 , z 0 , t 0 ) = P 0 (x 0 , z 0 , t 0 ) − P00 (z 0 ) Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques Les deux premières équations du système d’Euler deviennent : ∂u 0 ∂u 0 ∂w 0 1 ∂p 0 + u0 0 + w 0 0 = − ∂t ∂x ∂x ρ ∂x 0 (10) ∂w 0 ∂w 0 ∂w 0 1 ∂p 0 + u0 0 + w 0 0 = − ∂t ∂x ∂z ρ ∂z 0 (11) et la condition à la limite physique à la surface devient p 0 = ρg η 0 (x 0 , t 0 ) en z 0 = h0 + η 0 (x 0 , t 0 ) Mostafa ABOUNOUH (12) Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques Addimensionnement réduire le nombre de paramètres permettre des approximations correctement contrôlées L0 : longueur caractéristique (décrivant la position dans le fluide) A0 : Amplitude caractéristique (décrivant la déformation de la surface du fluide) √ c00 : célérité caractéristique c00 = gh0 (obtenue à partir des équations linéarisées) 0 t00 = L0 : temps caractéristique c0 Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques On pose t= t0 x0 z0 η0 , x = , z = , η = t00 L0 L0 A0 On définit u= w0 p0 u0 , w = , p = A0 /t00 A0 /t00 ρA0 L0 /(t00 )2 On introduit les nombres sans dimension F = g (t00 )2 A0 h0 nombre de Froude , = et δ = L0 L0 L0 Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques En reportant dans les équations de définition de système, on a: ∂u ∂u ∂w ∂p + u +w =− (13) ∂t ∂x ∂x ∂x ∂w ∂w ∂w ∂p + u +w =− (14) ∂t ∂x ∂z ∂z ∂u ∂w + =0 ∂x ∂z (15) w = 0 en z = 0 (16) ∂η ∂η + u en z = δ + η ∂t ∂x p = F η en z = δ + η w= Mostafa ABOUNOUH (17) (18) Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques En remplaçant l’expression de p donnée par (18) dans (13), on obtient une nouvelle forme de la condition à la limite de surface : ∂u ∂u ∂w ∂η + u +w +F =0 (19) ∂t ∂x ∂x ∂x On suppose , δ 1 et indépendants (H.4) On suppose ∼ δ 2 On conduira les calculs jusqu’à l’ordre δ ou δ 3 . Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques Il est commode de mesurer le déplacement η de la surface en unité de δ en posant η = ϕδ, ce qui donne z = δ(1 + ϕ). L’équation (19) devient (F δ = 1) ∂u ∂u ∂w ∂ϕ + u +w + =0 (20) ∂t ∂x ∂x ∂x Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques Ecoulement irrotationnel =⇒ ∃Φ(x, z, t) : u = ∂Φ ∂Φ et w = ∂x ∂z La condition (15) donne Φxx + Φzz = 0 développable en série entière (z ∼ δ) Φ(x, z, t) = +∞ X Φn (x, t)z n (21) n=0 On obtient la relation de récurrence ∂2 Φn + (n + 2)(n + 1)Φn+2 = 0 ∂x 2 Mostafa ABOUNOUH (22) Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques (22) + condition sur le bord inférieur =⇒ ∀n ∈ IN ( Φ2n+1 (x, t) = 0 (−1)n ∂ 2n Φ2n (x, t) = Φ. (2n)! ∂x 2n 0 Comme on fait les développements à l’ordre δ 3 et z = δ(1 + ϕ), on se limitera à 1 u(x, z, t) = usurface = f − δ 2 fxx 2 1 w (x, z, t) = wsurface = −δ(1 + ϕ)fx + δ 3 fxxx 6 avec f = f (x, t) = ∂Φ0 . ∂x Mostafa ABOUNOUH (23) (24) Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques Equation non-linéaire en eau peu profonde En remplaçant usurface et wsurface dans les conditions à la surface cinématique (17) et physique (20) en gardant les termes jusqu’à l’ordre δ ou δ 3 on obtient le système de Boussinesq à l’ordre 1 ( ϕt + fx + (ϕf )x − 16 δ 2 fxxx = 0 (Boussinesq) ft + ϕx − 21 δ 2 fxxt + ffx = 0 Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques De Boussinesq à Korteweg-de Vries On fait la dernière hypothèse : prévéligier les ondes se déplacent (H.5) uniquement de la gauche vers la droite =⇒ substituer à l’équation des cordes vibrantes l’équation de transport : ft + fx = 0 On résout le système de Boussinesq par un développement perturbatif : à l’ordre 0 en et δ, on a : f = ϕ Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques Comme on cherche un modèle d’ordre 1, on corrige de la façon suivante : on cherche des fonctions A et B de x et t telles que f = ϕ+A+δ 2 B En substituant f et ϕ dans le système de Boussinesq et on résout, on obtient : A = − 14 ϕ2 et B = 13 ϕxx 2 Donc f = ϕ− 4 ϕ2 + δ3 ϕxx Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques En reportant l’expression de f dans la première équation du système de Boussinesq, on obtient l’équation de Korteweg-de Vries (KdV) 3 1 ϕt + ϕx + ϕϕx + δ 2 ϕxxx = 0 2 6 (25) Si on change de repère, en posant ψ(t, x) = ϕ(t, x + t) et si on fait un changement de variable convenable, on obtient l’équation de KdV à l’ordre 1 ψt + ψψx + ψxxx = 0 Mostafa ABOUNOUH (26) Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques ψt + ψψx + ψxxx = 0 ⇑ ⇑ terme non linéaire terme linéaire Lorsque le terme non linéaire l’emporte conséquence : l’onde finit par se casser Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques lorsque le terme linéaire l’emporte lorsque les deux termes s’équilibrent Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques En conclusion : Le terme linéaire est dominant lorsque la profondeur est grande. Le terme non linéaire est dominant lorsque la profondeur est petite. Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques On s’interesse ici à l’équation de KdV périodique, en espace, amortie et en présence d’une force extérieure : ∂t u + γu + u∂x u + ∂xxx u = f . (27) u : R+ t × Tx −→ R (t, x) 7−→ u(t, x) périodique par rapport à x. γ > 0 : le paramètre d’amortissement f : la force extérieure, indépendante de t Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques J-M. Ghidaglia, Weakly damped forced Korteweg-de Vries equations behave as a finite dimensional dynamical system in the long time, J. Diff. Eq., 74, pp 369-390, (1988). J-M. Ghidaglia, A note on the strong convergence towards attractors for damped forced KdV equations, J. Diff. Eq. 110, 356-359, (1994). O. Goubet, Asymptotic smoothing effect for weakly damped forced Korteweg-de Vries equations, Discrete Contin. Dynam. Systems 6 (2000), no. 3, 625–644. O. Goubet, R. Rosa Asymptotic smoothing and the global attractor of a weakly damped KdV equation on the real line , J. Differential Equations 185 (2002), no. 1, 25–53. Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques Semi-discrétisation en temps de KdV Construction du schéma On approche la partie dissipative de (27) ( 1 2 ut + γu = 0 (28) u(t = 0) = u0 par la méthode de Crank-Nicolson ( 1 1 u n+ 2 − u n + γ u n+ 2 + u n = 0 2 ∆t u 0 = u0 . 1 =⇒ u n+ 2 = Θu n = 1− 1+ Mostafa ABOUNOUH γ∆t 2 γ∆t 2 un. (29) (30) Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques Pour l’autre partie de (27) 1 ut + uxxx + uux = f 2 (31) on l’approche comme suit : 1 u n+1 − u n+ 2 +∂x3 ∆t 1 u n+1 + u n+ 2 2 ! 1 + ∂x 2 1 u n+1 + u n+ 2 2 !2 =f. (32) Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques (30) + (32) =⇒ n+1 2 − Θu n + ∂ 3 u n+1 + Θu n + 1 ∂ u n+1 + Θu n = f u x 2 x 2 2 ∆t 0 u = u0 n u est periodique en x (33) Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques C’est un schéma d’ordre 1 2 u(t + ∆t) − Θu(t) 1 u(t + ∆t) + Θu(t) + ∂x + ∆t 2 2 u(t + ∆t) + Θu(t) 1 3 ∂x −f = ∂x u 2 − 2f (γ.∆t) + o(∆t 2 ) 2 4 Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques Il est stable dans L2 (T), uniformément en ∆t. Proposition 1 Si γ∆t est assez petit, alors 2 ku n kL2 ≤ Θn ku0 kL2 + (1 − Θn ) kf kL2 . γ Mostafa ABOUNOUH (34) Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques Existence du semi-groupe discret S n Soit E = {u0 ∈ L2 (T) ; √ ∆tku0 k2L2 < 1}. On a Proposition 2 √ Pour f ∈ L2 (T) avec 4 ∆tkf k2L2 ≤ γ 2 , l’équation (33) possède un semi-groupe discret S n , n ≥ 1, vérifiant : ∀u0 ∈ E , u n+1 = Su n = S n+1 u0 est solution de (27). Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques On écrit (33) comme u n+1 + Θu n ∆t ∆t = ΘRu n + Rf − R∂x 2 2 4 où R = 3 1 + ∆t 2 ∂x −1 2 u n+1 + Θu n 2 (35) satisfait les estimations : Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques Lemme 1 Il existe une constante c positive telle que : 3s 2 , ∀ 0 ≤ s ≤ 3, (i) kRkL(L2 ,H s ) ≤ ∆t (ii) k∂x RkL(L1 ,L2 ) ≤ √c . ∆t Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques On applique la méthode du point fixe à F : w 7−→ ΘRu n + ∆t ∆t Rf − R∂x (w )2 2 4 sur une boule de E et on utilise le lemme 1. Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques Theorème 1 Le semi-groupe discret S : E −→ E défini par Su n = u n+1 possède un attracteur global compact dans H 3 (T). Proof : Toute solution de (33) se décompose comme suit : u n = v n + w n , ∀n ∈ IN ( n+1 v − Θv n + ∂ 3 v n+1 + Θv n = 0 x 2 ∆t v 0 = u0 n+1 w − Θw n + ∂ 3 w n+1 + Θw n + x 2 ∆t 2 1 ∂ u n+1 + Θu n = f x 2 2 0 w = 0 Mostafa ABOUNOUH (36) (37) (38) Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques Proposition 3 Les problèmes (37) et (38) sont bien posés et les solutions v n et w n satisfont lim kv n kL2 = 0, (39) n−→∞ et il existe c = c (γ, kf kL2 , ku0 kL2 ) > 0 tel que k∂x3 w n kL2 ≤ c 3 (∆t) 2 . Mostafa ABOUNOUH (40) Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques 1 2 le semi-groupe S n possède un ensemble borné absorbant (d’après la proposition 1). le semi-groupe S n se décompose comme somme d’une partie compacte et une partie petite. On applique Theorème I.1.1 dans R. Temam, Infinite Dimensional Dynamical Systems in Mechanics and Physics, Springer-Verlag, Second Edition, 1997. =⇒ ∃ attracteur global A∆t . Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques De plus, A∆t est borné dans H 3 (T). Pour montrer sa compacité, on utilise un argument de J. Ball J. Ball, Global attractors for damped semilinear wave equations. Partial differential equations and applications, Discrete Contin. Dyn. Syst. 10 (2004), no. 1-2, 31–52. Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques Proposition 4 A∆t est de dimension de Hausdorf finie. Pour tout u ∈ A∆t , on pose v = Su et on note par DS la différentielle de S au point u. La forme quadratique Z v + Θu v + Θu 2 2 2 q(ξ) = kξkH 1 − ξ + 2 ∞ kξkL2 . 2 L est positive et satisfait q(DS.h) ≤ Θ2 q(h) + ∆tΘ2 Mkhk2L2 , où M = M(γ, kf kL2 ) Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques Soit QN la projection orthogonale : QN H 1 (T) = Vect(Φk )k≤N . Φk fonction propre associée à la valeur propre λk de l’opérateur -Laplacien + C.L. périodiques (λk ∼ ck 2 , ∀k). On montre que DS contracte tous les m-volumes situés à l’exterieur de QN H 1 . Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques Pour tout m ≥ 1 et pour toute famille orthogonale h1 , ..., hm ∈ (I − QN )H 1 , on montre que : Gram(DS.h1 , ..., DS.hm ) < Gram(h1 , ..., hm ), où Qm est la projection orthogonale sur Vect(h1 , ..., hm ) et Gram(h1 , ..., hm ) est le déterminant de Gram des vecteurs h1 , ..., hm . Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques Comme Gram(DS.h1 , ..., DS.hm ) = det(Qm DS t DSQm )Gram(h1 , ..., hm ) on montre que det(Qm DS t DSQm ) < 1 Soit φ1 , ..., φm une base orthonormale des vecteurs propres de Qm DS t DSQm . φk ∈ (I − QN )H 1 =⇒ kφk k2L2 ≤ c2 k∂x φk k2L2 ≤ c2 N N Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques m Y det(Qm DS t DSQm ) = ≤ m Y k=1 Θ2 q(φk ) + ∆tΘ2 Mkφk k2L2 k=1 ≤ ≤ ≤ Mostafa ABOUNOUH q(DS φk ) 2m Θ m Y (1 + ∆tMkφk k2L2 ) k=1 m Y 2m Θ c∆tM 1+ N2 k=1 m∆t cM N2 . Θ2m e Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques Puisque 2m Θ e m∆t cM 2 N cM ∼ 1 − m∆t 2γ − 2 N si 2γ − cM >0 N2 on a le résultat. Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques Discrétisation totale de KdV M. Abounouh, H. Al-moatassime, C. Calgaro and J.P. Chehab A numerical scheme for the long times simulation of a forced damped KdV equation , soumis. Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques γ = 0.1 u0 = sin x et ∆t = 0.001 On représente ku − uexacte k∞ −3 3 U0=sin(x) alpha=0.1 N=128 dt=0.001 |u−uex| x 10 AACC DSS 2.5 Erreur 2 1.5 1 0.5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 t Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques γ = 2.6 u0 = sin x et ∆t = 0.001 On représente ku − uexacte k∞ −3 1.8 x 10 U0=sin(x) alpha=2.6 N=128 dt=0.001 |u−uex| AACC DSS 1.6 1.4 Erreur 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 5 10 15 t Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques γ = 0.1 u0 = sin x et ∆t = 0.01 On représente ku − uexacte k∞ −3 5 U0=sin(x) alpha=0.1 N=128 dt=0.01 |u−uex| x 10 AACC DSS 4.5 4 3.5 Erreur 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 t Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques γ = 2.6 u0 = sin x et ∆t = 0.01 On représente ku − uexacte k∞ U0=sin(x) alpha=2.6 N=128 dt=0.01 |u−uex| 0.015 AACC DSS Erreur 0.01 0.005 0 0 5 10 15 t Mostafa ABOUNOUH Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques γ = 0.01 f = choc, ∆t = 0.001 (t=120). On mesure la régularité de Sobolev. Régularité alpha=0.01 N=130 dt=0.001 f=Choc t=120 4.6 4.4 4.2 4 3.8 3.6 3.4 3.2 3 2.8 2.6 0 20 Mostafa ABOUNOUH 40 60 80 100 120 Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques γ = 0.1 u0 = choc, f = sin x et ∆t = 0.01 (t=120) On mesure la régularité de Sobolev. Régularité U0=Choc f=sin(x) alpha=0.1 dt=0.01 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 50 100 Mostafa ABOUNOUH 150 200 250 300 350 400 Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique Motivation et découverte Modélisation Interprétation et résultats numériques γ = 2.6 f = choc et ∆t = 0.001 (t=120) On mesure la régularité de Sobolev. Régularité alpha=2.6 N=130 dt=0.001 f=Choc t=120 4 3.8 3.6 3.4 3.2 3 2.8 2.6 0 20 Mostafa ABOUNOUH 40 60 80 100 120 Equation de KdV : de la modélisation au calcul scientifique