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Sur un domaine borné de et de frontière régulière, le problème de trouver à partir de et satisfaisant certaines conditions aux limites appropriées est un problème bien posé : la solution existe et est unique.
En mécanique des fluides, pour des écoulements incompressibles, la pression est reliée au champ de vitesse par une équation de Poisson. Par exemple, en 2D, en notant les composantes du champ de vitesse , la relation s'écrit :
L'équation de Poisson étant insensible à l’ajout sur d’une fonction satisfaisant l’équation de Laplace (ou une simple fonction linéaire par exemple), une condition aux limites est nécessaire pour espérer l'unicité de la solution : par exemple les conditions de Dirichlet, celles de Neumann, ou des conditions mixtes sur des portions de frontière.
En coordonnées cartésiennes dans , considérons un ouvert , une fonction continue sur et une fonction continue sur la frontière . Le problème consiste à trouver une fonction de deux variables réelles définie sur qui vérifie les deux relations :
sur et sur
Cette formulation est un modèle mathématique du problème statique d’une membrane élastique tendue et chargée (une peau de tambour) :
est la densité de charge (exprimée par exemple en Pa, ceci à un multiple près caractérisant les propriétés d’élasticité de la membrane) ;
est la cote (élévation verticale) le long de la frontière de fixation de la membrane ;
la solution indique la cote de la membrane dans .
Éléments de justification
À une dimension, il s’agit d’une corde élastique chargée qui est fixée en ses deux extrémités.
Sur un petit élément , considérons l’équilibre statique entre les deux forces de traction et de la corde (respectivement à gauche et à droite), puis la force de la charge induite par une densité de charge linéaire notée :
Sans restreindre la généralité, les facteurs et ont été divisés par afin de leur conserver une grandeur non différentielle.
La somme vectorielle de ces forces conduit aux égalités :
qu’on peut appeler , un coefficient indépendant de puisque toutes les composantes horizontales se compensent pour se répercuter uniquement sur les points d’attache,
qui, lorsque tend vers 0, s’écrit
Cette dernière relation est bien l’équation de Poisson à une dimension.
Soit un domaine ouvert et borné de dont la frontière est suffisamment régulière pour satisfaire le théorème de la divergence. Soit le vecteur normal à et dirigé vers l’extérieur.
Soient une fonction de , puis et des fonctions continues définies sur .
On cherche une solution pour chacun des problèmes suivants :
sur
satisfaisant l’une des conditions sur :
et (pour fixer la constante additive d’indétermination)
Pour toute fonction régulière, la relation
et le théorème de la divergence impliquent
Si est solution du problème précédent muni de la condition aux limites retenue, alors
En notant le membre de gauche et celui de droite, la formulation faible consiste à :
définir un espace vectoriel approprié dans lequel et sont définies,
rechercher tel que pour tout .
Si elle existe, la solution naturelle de ces formulations se trouve dans l’espace de Sobolev muni de sa norme
Proposition — Soit un domaine ouvert et borné de et de frontière régulière (ou régulière par morceaux), dans , puis et des fonctions continues définies sur .
Alors les trois problèmes précédents possèdent une unique solution dans qui est caractérisée par la formulation faible correspondante mise en œuvre dans les espaces suivants :
Pour la continuité des deux formes, il s’agit de montrer l’existence de constantes positives notées génériquement telles que
Ces constantes existent par définition de la norme de
et par la continuité des opérateurs de trace qui, à une fonction associe une fonction de définie par la restriction de sur .
On peut remarquer que la continuité des formes assure simultanément leur définition rigoureuse. Pour le second problème en particulier, borné implique la continuité de l’injection de dans pour la norme , ce qui justifie la définition de l’espace correspondant.
Coercivité
Pour la coercivité des , il s’agit de montrer l’existence d’une constante indépendante de telle que
La coercivité de la forme peut se montrer par l’absurde. En notant
supposons qu’il existe une suite satisfaisant
et tend vers 0.
Par compacité de l’injection canonique de dans (lorsque est borné), il existe une sous-suite convergeant vers une fonction pour la norme . Cette suite est donc une suite de Cauchy dans et, puisque son gradient tend vers 0 dans , elle est également une suite de Cauchy dans qui converge vers et qui ne peut être qu’une fonction constante avec . Ainsi, sa trace sur (par continuité) ne peut être que constante non nulle, ce qui contredit .
Il y a diverses méthodes pour la résolution numérique. La méthode de relaxation, un algorithme itératif, est un exemple. Les méthodes basées sur les transformées de Fourier sont presque toujours utilisées en gravitation universelle.
Considérations historiques et essais de résolution
On appelle aussi cette équation : l'équation de la théorie du potentiel publiée en 1813. Si une fonction d’un point donné ρ = 0, nous obtenons l’équation de Laplace :
En 1812, Poisson découvrit que cette équation n’est valide que hors d’un solide. Une preuve rigoureuse pour les masses avec une densité variable fut d’abord donnée par Carl Friedrich Gauss en 1839. Les deux équations ont leurs équivalents en analyse vectorielle. L’étude des champs scalaires φ d’une divergence[Quoi ?] donne :
Par exemple, une équation de Poisson pour un potentiel électrique en surface Ψ, qui montre sa dépendance de la densité d’une charge électrique ρe dans une place particulière :
ce qui, dans la plupart des cas, ne peut être résolu analytiquement, mais seulement pour des situations particulières. En coordonnées polaires, l’équation de Poisson-Boltzmann s'écrit :
laquelle ne peut pas non plus être résolue analytiquement. Même si le champ φ n’est pas scalaire, l’équation de Poisson est valide, comme elle peut l’être par exemple dans un espace de Minkowski à quatre dimensions :
Si ρ(x, y, z) est une fonction continue et si pour r→∞ (ou si un point 'se déplace' à l’infini) une fonction φ va à 0 suffisamment rapidement, une solution à l’équation de Poisson est le potentiel newtonien d’une fonction ρ(x, y, z) :
où r est une distance entre l’élément avec le volume dv et le point M. L’intégration parcourt la totalité de l’espace. L’intégrale de Poisson en résolvant la fonction de Green pour le Problème de Dirichlet de l’équation de Laplace, si le cercle est le domaine étudié :
où :
φ(χ) est une fonction prescrite sur une ligne circulaire, qui définit les conditions aux limites de la fonction requise φ de l’équation de Laplace. De la même manière nous définissons la fonction de Green pour le problème de Dirichlet pour l’équation de Laplace dans l’espace, pour un domaine constitué d’une sphère de rayon R. Cette fois la fonction de Green est:
où : est une distance d’un point (ξ, η, ζ) depuis le centre d’une sphère, r une distance entre des points (x, y, z), (ξ, η, ζ), r1 est une distance entre le point (x, y, z) et le point (Rξ/ρ, Rη/ρ, Rζ/ρ), symétrique au point (ξ, η, ζ). L’intégrale de Poisson est maintenant de la forme:
[Poisson 1813] Siméon-Denis Poisson, « Remarques sur une équation qui se présente dans la théorie des attractions des sphéroïdes », Nouveau bulletin des sciences : par la Société philomat(h)ique (de Paris), Paris, J. Klostermann fils, t. III, no 75, , p. 388-392 (lire en ligne).
A. D. Polyanin, Handbook of Linear Partial Differential Equations for Engineers and Scientists, Chapman & Hall/CRC Press, Boca Raton, 2002. (ISBN1-58488-299-9)