Taylor multipoint en 1D

La TMM dans sa formulation actuelle construit les fonctions de formes en faisant

une approximation en série entière. Les problèmes traités jusqu’à présent ont montré

une très bonne convergence, mais cependant un problème de domaine de convergence

se pose dans certains cas. Dans le chapitre précédent, des techniques ont été mises en

place pour surmonter cette difficulté. Toutefois dans le but de rendre plus flexible la

méthode TMM, nous pensons qu’il serait plus intéressant de construire les fonctions de

forme en faisant une approximation de Taylor multipoint.

Les travaux de J. L. Lopez et M.Temme [74,75] d’une part et de F. Costabile et A.

Napoli [76] d’autre part ont montré que les séries de Taylor multipoint sont plus précises

et ont un domaine de convergence plus large que les séries de Taylor développées en un

seul point.

Le but de cette section est de construire les fonctions de formes de la TMM en

utili-sant ces approximations de Taylor multipoint. Au cours de cette thèse nous n’avons pas

eu assez de temps pour approfondir les recherches sur ce sujet. Cependant nos travaux

ont été effectués en 1D et ceci pour un développement de Taylor en deux points.

La définition du développement en deux points en série de Taylor d’une fonction f

a été donné par Lopez et Temme dans [74] par :

ThéorèmeSoitf une fonctionN 1fois différentiables sur un ouvert⌦⇢C. Soit

pointsz1 etz2 de degré2n 1suivant :

f(z)⌘PN(z1, z2, z) =

NX1

k=0

[ak(z1, z2)(z z1) +ak(z2, z1)(z z2)](z z1)^k(z z2)^k

(3.14)

où les coefficientsak(z1, z2)sont donnés par :

a0(z1, z2) = ^z2

z2 z1

an(z1, z2) =

n

X

k=0

(n+k 1)!

k!(n k)!

( 1)n+1nfn k(z2) + ( 1)kkfn k(z1)

n!(z1 z2)n+k+1

(3.15)

Le domaine de convergence du polynôme défini par la relation (3.14) est un ovale

de Cassini(voir fig 3.11) :

Dz

1

,z

2

={z 2⌦/|(z z1)(z z2)|< r} (3.16)

où

3.4. Accélération de convergence de la TMM

FIG. 3.11 – Domaine de convergence d’une série de Taylor développée en deux points

z₁ etz₂ : (a) si4r <|z₁ z₂|2, (b) si4r =|z₁ z₂|2, (c) si4r >|z₁ z₂|2

3.4.2.1 Formulation de la méthode

Considérons l’équation différentielle du second ordre suivante :

8

>

<

>

:

d2u(x)

dx2 +f(x)u(x) =g(x)

u(±L) = 0, Lx+L

(3.18)

où f(x) et g(x) sont des fonctions données etu(x)est l’inconnue du problème.

Dans la TMM classique ce problème sera résolu en faisant une approximation de la

forme :

u(x) =

N

X

k=0

ak(x x0)^k (3.19)

Nous cherchons donc la solution approchée sous la forme :

u(x) =

NX1

k=0

[ak(x x1) +bk(x x2)](x x1)^k(x x2)^k (3.20)

oùx1, x2 sont des points appartenant à[ L, L].

Pour simplifier les calculs nous supposons que x₂ = x₁ = c. Ainsi la solution

approchée se réécrit sous la forme :

u(x) =

N

X

k=0

(ak+bkx)(x² c²)^k (3.21)

La dérivée seconde deuest :

u”(x) =

NX2

k=0

2(k+1)[((2k+1)ak+1+2(k+2)ak+2)+((2k+3)bk+1+2(k+2)bk+2)x)](x² c²)^k

(3.22)

Les fonctions f et g étant connues, on sait calculer leurs coefficients de Taylor 2

points en utilisant les relations (3.14) et (3.15) :

3.4.2.2 Application numérique

On résoud le problème (3.18) (avecf =g = 1) par les trois techniques suivantes.

– On utilise la TMM classique en monozone, c’est à dire on approche la solution

par un développement de Taylor en un pointx0.

seg-3.4. Accélération de convergence de la TMM

ments[ L,0]et[0, L], une approximation en série de Taylor en xdetxd

respec-tivement est faite sur chaque segment, puis on assure la continuité de la fonction

et de sa dérivée enx= 0.

– Dans un dernier temps, on applique la technique présentée dans le paragraphe

précédent, c’est à dire qu’on fait un développement de Taylor en deux points

( xdetxd).

−10 −8 −6 −4 −2 0 2 4 6 8 10

−0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

x

u ^{Solution exacte}

Taylor 1 point

Taylor 1 point 2 elements

Taylor 2 points

FIG. 3.12 – Solution du problème (3.18) pour un degrép = 5. Comparaison de

l’ap-proximation de Taylor développée en un point et de l’apl’ap-proximation de Taylor

déve-loppée en 2 points. Le développement en 2 points donne de meilleurs résultats et fait

disparaitre l’effet des couches limites (domaine de convergence plus large)

Les résultats obtenus sont présentés sur la figure 3.12 et dans le tableau 3.9. Sur la

figure, on remarque que la série de Taylor approche mieux la solution exacte et même

mieux que si l’on subdivise le domaine en deux éléments.

TAB. 3.9 –Comparaison des méthodes d’approximation de Taylor développés en 1 point

et en 2 points. p-convergence.L= 10,x0 = 0,x1 = x2 =L/2

log10(Erreur maximale)

Degré Taylor Taylor Taylor

p 1 point 1 point 2 points

2 éléments

5 -0.4922 -0.9736 -1.5691

10 -1.1769 -2.1645 -4.6858

15 -1.8738 -4.0941 -9.6957

20 -3.5330 -6.7985 -9.4308

3.5 Conclusion

Dans le but de rendre plus robuste la TMM, nous nous sommes proposés dans ce

chapitre de faire une analyse mathématique de cette méthode. La TMM dans sa

formu-lation actuelle construit la solution d’une EDP en faisant une approximation en série

entière. Les séries calculées admettent un domaine de convergence qui est un disque de

rayonR.

SiR =1, l’approximation faite par la TMM converge en tout point du domaine d’étude

et elle est très précise (quoique parfois elle nécessite de très hauts degrés pour

avoir une bonne approximation).

SiR = 0ouR <1, la présence de singularité influe sur la qualité de l’approximation

et la TMM diverge dans certains cas (exemple du problème de Poisson). Toutefois

les séries calculées par la TMM contiennent des informations utiles sur la solution

exacte du problème étudié. Cependant ces informations ne sont pas directement

accessibles. Dans ce chapitre, nous avons proposé une technique pour estimer la

position de la singularité à partir des coefficients calculés par la TMM. Le critère

proposé se base sur les diagrammes de Domb Sykes et le critère de Darboux.

3.5. Conclusion

Des techniques d’accélération de convergence ont été discutées dans une deuxième

partie. La méthode des approximants de Padé permettent d’améliorer l’approximation

de la TMM dans le cas des problèmes admettant une singularité finie. Une autre idée

a été de construire les fonctions de forme de la TMM en faisant une approximation

de Taylor multipoint. Ceci pourrait résoudre les problèmes de domaine de convergence

et ainsi évitera des résolutions multizones pour certains problèmes. Au cours de cette

thése nous n’avons pas pu approfondir les recherches sur ce sujet, cependant

l’appli-cation faite en 1D a donné des résultats très précis par rapport au développement de

Taylor classique utilisé actuellement dans la TMM. Il resterait à montrer comment cette

connaissance approfondie de la fonction cherchée pourrait être utilisée pour améliorer

les algorithmes et estimer les erreurs : un vaste chantier qui n’a pas été abordé ici.

Il se trouve que les méthodes d’accélération de convergence n’ont pas été prioritaires

dans cette thèse. Néamoins les quelques tests que nous avons effectués ont montré qu’il

y a des possibilités très importantes d’amélioration de l’efficacité de la TMM, en

par-ticulier les approximations de Taylor multipoints et les approximants de Padé, mais il

resterait à mettre au point des procédures robustes et efficaces.

Dans le document Développement d'une méthode sans maillage basée sur les approximations de Taylor (Page 133-141)