Academic literature on the topic 'Intégrateurs géométriques'

Une approche récente permettant d'étudier les équations issues de la Mécanique des Fluides consiste à considérer les symétries de ces équations. Les succès des développements théoriques, notamment en turbulence, ont justifié la pertinence d'une telle approche. Sur le plan numérique, les méthodes d'intégration construites sur des arguments liés à la structure géométrique des équations s'appellent les intégrateurs géométriques. Dans la première partie de la thèse, on présente la classe d'intégrateurs géométriques probablement la plus connue; ce sont les intégrateurs symplectiques pour les systèmes hamiltoniens. Dans une seconde partie, on introduit les intégrateurs variationnels, construits pour reproduire les lois de conservation des systèmes lagrangiens. Cependant, la plupart des équations de la Mécanique des Fluides ne dérive pas d'un Lagrangien. On expose alors dans la dernière partie une méthode de construction de schémas numériques respectant les symétries d'une équation. Cette méthode est basée sur une formulation moderne des repères mobiles. On présente une contribution au développement de cette méthode; elle permet d'obtenir un schéma invariant possédant un ordre de précision déterminé. Des exemples issus des équations modèles de la Mécanique des Fluides sont traités.

Une approche récente permettant d'étudier les équations issues de la Mécanique des Fluides consiste à considérer les symétries de ces équations. Les succès des développements théoriques, notamment en turbulence, ont justifié la pertinence d'une telle approche. Sur le plan numérique, les méthodes d'intégration construites sur des arguments liés à la structure géométrique des équations s'appellent les intégrateurs géométriques. Dans la première partie de la thèse, on présente la classe d'intégrateurs géométriques probablement la plus connue; ce sont les intégrateurs symplectiques pour les systèmes hamiltoniens. Dans une seconde partie, on introduit les intégrateurs variationnels, construits pour reproduire les lois de conservation des systèmes lagrangiens. Cependant, la plupart des équations de la Mécanique des Fluides ne dérive pas d'un Lagrangien. On expose alors dans la dernière partie une méthode de construction de schémas numériques respectant les symétries d'une équation. Cette méthode est basée sur une formulation moderne des repères mobiles. On présente une contribution au développement de cette méthode; elle permet d'obtenir un schéma invariant possédant un ordre de précision déterminé. Des exemples issus des équations modèles de la Mécanique des Fluides sont traités
A recent approach to study the equations from Fluid Mechanics consists in considering the symmetry group of equations. Succes of theoretical development, specially in turbulence, has justified the relevance of this approach. On the numerical side, the integrating methods based on arguments related to the geometrical structure of equations are called geometric integrators. In the first part of this thesis, a class of such integrators is introduced: symplectic integrators for hamiltonian systems, which are probably the most well known geometric integrators. In the second part, variational integrators are outlined, constructed in order to reproduce conservation laws of lagrangian systems. However most of Fluid Mechanics equations cannot be derived from a Lagrangian. In the last part of this thesis, a method of construction of numerical schemes that preserves equations symmetry is exposed. This method is based on a modern formulation of moving frames. A contribution to the development of this method is proposed; this allows to obtain an invariant numerical scheme that owns an order of accuracy. Examples from Fluid Mechanics model equations are detailled

Le sujet de la thèse est l'étude et la construction de méthodes numériques géométriques pour les équations différentielles, qui préservent des propriétés géométriques du flot exact, notamment la symétrie, la symplecticité des systèmes hamiltoniens, la conservation d'intégrales premières, la structure de Poisson, etc.
Dans la première partie, on introduit une nouvelle approche de construction d'intégrateurs numériques géométriques d'ordre élevé en s'inspirant de la théorie des équations différentielles modifiées. Le cas des méthodes développables en B-séries est spécifiquement analysé et on introduit une nouvelle loi de composition sur les B-séries. L'efficacité de cette approche est illustrée par la construction d'un nouvel intégrateur géométrique d'ordre élevé pour les équations du mouvement d'un corps rigide. On obtient également une méthode numérique précise pour le calcul de points conjugués pour les géodésiques du corps rigide.
Dans la seconde partie, on étudie dans quelle mesure les excellentes performances des méthodes symplectiques, pour l'intégration à long terme en astronomie et en dynamique moléculaire, persistent pour les problèmes de contrôle optimal. On discute également l'extension de la théorie des équations modifiées aux problèmes de contrôle optimal.
Dans le même esprit que les équations modifiées, on considère dans la dernière partie des méthodes de pas fractionnaire (splitting) pour les systèmes hamiltoniens perturbés, utilisant des potentiels modifiés. On termine par la construction de méthodes de splitting d'ordre élevé avec temps complexes pour les équations aux dérivées partielles paraboliques, notamment les problèmes de réaction-diffusion en chimie.

Nous introduisons pour toute structure de Poisson sur une variété la notion de bi-réalisation et l'illustrons par des exemples. Nous définissons les intégrateurs de Poisson hamiltoniens comme des intégrateurs de Poisson dont la trajectoire discrète suit le flot d'un hamiltonien dépendant du temps. Ensuite, une construction d'intégrateur de Poisson hamiltonien pour une structure de Poisson, un Hamiltonien H, un ordre k et un pas de temps t quelconques est donnée via une troncature à l'ordre k de la transformée de Hamilton-Jacobi S¬t(H) de H sur une bi-réalisation de la structure de Poisson. Nous définissons aussi la suite de Farmer et expliquons comment elle permet de résoudre explicitement l'équation de Hamilton-Jacobi à un ordre arbitraire. Nous expliquons comment les groupoïdes symplectiques locaux fournissent une interprétation géométrique de la notion de bi-réalisation. Nous définissons pour tout hamiltonian dépendant du temps H sa série de Magnus, pour construire pour tout intégrateur hamiltonien de Poisson un hamiltonien modifié. En conclusion, nous comparons nos intégrateurs avec des méthodes de Runge-Kutta sur les exemples du solide rigide et des équations différentielles de Lodka-Volterra, en particulier concernant leur comportement à long terme. En géométrie de Dirac, nous introduisons le 2-cocyle horizontal canonique d'une structure de Dirac. Sous la condition suffisante de son exactitude, nous exhibons pour tout hamiltonien H une fonctionnelle pour laquelle les points critiques sont exactement les courbes intégrales des champs de vecteurs hamiltoniens de H. Nous déduisons aussi du résultat précédent une généralisation de la transformée de Legendre aux structures de Dirac
We introduce for any Poisson structure on a manifold the notion of bi-realisation and illustrate it by examples. We define Hamiltonian Poisson integrators as Poisson integrators for which discrete trajectory follows the flow of a time-dependent Hamiltonian. Next, a construction of a Hamiltonian Poisson integrator for generic Poisson structure, Hamiltonian H, order k and time-step t are given via any truncation at order k of the Hamilton-Jacobi transform S¬t(H) of the Hamiltonian H on a bi-realisation of the Poisson structure. We also define the Farmer sequence and we explain how it gives explicit recursive formulae to solve Hamilton-Jacobi equation at an arbitrary order. We explain how local symplectic groupoids provide a geometric interpretation of the notion of bi-realisation. We define for any time-dependent Hamiltonian H its Magnus series to construct, for any Hamiltonian Poisson integrator, a modified Hamiltonian. To conclude, we compare our integrators with Runge-Kutta methods on the example of rigid body dynamics and Lotka-Volterra differential equations, in particular on long run simulations. In Dirac geometry, we introduce the canonical horizontal 2-cocycle of a Dirac structure. Under the sufficiency condition of its exactness, we exhibit for any Hamiltonian H a functional for which critical points are exactly integral curves of Hamiltonian vector fields of H. We also deduce from the previous result a generalisation of the Legendre transform to Dirac structures

Cette thèse est divisée en deux parties, le fil directeur étant la contrôlabilité en temps optimal. Dans la première partie, après un rappel du principe du maximum de Pontryagin dans le cas des systèmes de dimension finie, nous mettrons en œuvre ce principe sur le cas d'un intégrateur non-holonome connu sous le nom de système de Brockett pour lequel nous imposons des contraintes sur l'état. La difficulté de cette étude provient du fait que l'on considère un problème de contrôle avec des contraintes sur l'état. Après cet exemple, nous nous intéressons à une extension du principe du maximum de Pontryagin au cas des systèmes de dimension infinie. Plus précisément, l'extension que nous considérons s'applique au cas de systèmes exactement contrôlables en tout temps. Typiquement, ce résultat s'applique à l'équation de Schrödinger avec contrôle interne. Pour de tels systèmes, sous une condition de contrôlabilité approchée, depuis un ensemble de temps non négligeable, nous montrons l'existence d'un contrôle bang-bang. Dans la seconde partie, nous étudions le problème de la nage à bas nombre de Reynolds. Une modélisation physique convenable nous permet de le formaliser comme un problème de contrôle. Nous obtenons alors un résultat de contrôlabilité sur ce problème. Plus précisément, nous montrons que quelque soit la forme du nageur, celui-ci peut se déformer légèrement pour suivre une trajectoire imposée. Nous étudions ensuite le cas d'un nageur à symétrie axiale. Les résultats de la première partie permettent alors la recherche d'un contrôle en temps optimal.