Méthode PN
La méthode PN permet la résolution de l'équation du transfert radiatif (ou équation de Boltzmann) utilisée pour la propagation des particules telles photons, neutrons, neutrinos, etc. Cette méthode été introduite par James Jeans (1917). Elle consiste en un développement de la solution sur une base de polynômes orthogonaux.

L'équation du transfert radiatif 

Dans le cas d'un milieu stationnaire unidimensionnel en espace comportant émission, diffusion élastique (sans changement de fréquence) et absorption la propagation est décrite par l'équation équation intégro-différentielle linéaire suivante

où

Mise en œuvre de la méthode 

La base du développement choisie sera :
 en bidimentionnel des harmoniques sphériques,
 si la solution est à symétrie azimutale (cas traité ici) on choisit généralement des polynômes de Legendre notés P, quoique beaucoup d'autres choix soient possibles.

Le développement 

La luminance est supposée de forme suivante, à variables séparées

L'orthogonalité des polynômes s'écrit

où δij est la fonction de Dirac.

En multipliant l'équation donnant L(x, μ) par Pj et en intégrant sur μ il vient, compte tenu de la relation d'orthogonalité

Les premiers polynômes ont une interprétation physique
 l'énergie volumique correspond à L0

où c est la vitesse de la lumière.
 l'exitance (flux) correspond à L1 (loi de Lambert)

 la pression

Les moments de Legendre de la fonction de phase 

La déviation au cours d'une interaction est supposée ne dépendre que de du produit scalaire des angles définissant les directions de propagation Ω = (θ, Φ) et Ω' = (θ', Φ') et on définit la déviation par son cosinus α tel que

La fonction de phase est développée en polynômes de Legendre

où les gi sont les moments de Legendre de la fonction de phase

Le premier moment est souvent utilisé pour caractériser la dissymétrie de la fonction de phase, voire pour construire une fonction standard comme celle de Henyey-Greenstein.

Les système PN 

En multipliant l'équation de transfert par chacun des  et en intégrant sur μ en tenant compte de la propriété d'orthogonalité des polynômes on obtient un système de N+1 équations pour N+2 inconnues . On fera donc une hypothèse pour clore le système. La plus simple consiste à imposer  mais il existe des méthodes plus élaborées exprimant LN+1 en fonction des termes connus.

où

On montre que la solution tend vers la solution physique lorsque N → ∞.

Elle est équivalente en tous points (difficulté de mise en œuvre, performances en durée de résolution) à la méthode SN, à l'exception des pathologies, différentes dans les deux cas : cette méthode est sensible au phénomène de Gibbs.

Lien avec l'approximation d'Eddington 

L'approximation d'Eddington a été obtenue indépendamment des travaux de James Jeans mais elle constitue en fait la méthode P1. Cette approximation est due à Arthur Eddington. En utilisant l'expression des deux premiers polynômes de Legendre et les quantités définies plus haut le développement s'écrit

D'où les quantités

Cette dernière expression constitue l'approximation d'Eddington.

Méthode SPN 

Cette méthode constitue une simplification de la méthode PN (S pour simplified) proposée par E. M. Gelbart de manière heuristique et justifié ultérieurement par l'analyse asymptotique ou par une approche variationnelle. Dans cette méthode on omet la dérivée pour les valeurs paires de i, d'où

En rapportant cette expression dans le système PN on obtient le système SPN : pour i impair

Il s'agit d'un système d'équations de type diffusion donc sans difficulté numérique. Le nombre d'équations a été réduit par un facteur 2.

Un exemple simple 

Supposons un milieu homogène semi-infini à diffusion isotrope. Le système PN est alors le système linéaire suivant

On suppose que N est impair : avec cette condition la matrice ci-dessus qui est diagonalisable a N + 1 valeurs propres réelles par paires de signe opposé, ce qui justifie le choix d'une valeur impaire. Sa solution se met sous la forme d'une solution générale du système homogène constitué de (N + 1) / 2 exponentielles négatives (les valeurs positives étant exclues pour obtenir une solution finie) et du terme constant S / κa constituant une solution particulière

La courbe donnant les valeurs de γi montre la convergence de la méthode avec l'ordre. Les faibles valeurs correspondantes aux termes variant le plus lentement convergent plus rapidement. D'une façon générale l'erreur varie comme N-2.

Références

Voir aussi 
 Méthode MN
 Méthode SN

Physique mathématique
Astrophysique
La méthode PN permet la résolution de l' équation de le transfert radiatif ( ou équation de Boltzmann ) utilisée pour la propagation de les particules telles photons , neutrons , neutrinos , etc. Cette méthode été introduite par James Jeans Elle consiste en un développement de la solution sur une base de polynômes orthogonaux . L' équation de le transfert radiatif Dans le cas d' un milieu stationnaire unidimensionnel en espace comportant émission , diffusion élastique ( sans changement de fréquence ) et absorption la propagation est décrite par l' équation équation intégro-différentielle linéaire suivante où Mise en œuvre de la méthode La base de le développement choisie sera \ : en bidimentionnel de les harmoniques sphériques , si la solution est à symétrie azimutale ( cas traité ici ) on choisit généralement de les polynômes de Legendre notés P , quoique beaucoup d' autres choix soient possibles . Le développement La luminance est supposée de forme suivante , à variables séparées L' orthogonalité de les polynômes s' écrit où δij est la fonction de Dirac . En multipliant l' équation donnant L( x , μ ) par Pj et en intégrant sur μ il vient , compte tenu de la relation d' orthogonalité Les premiers polynômes ont une interprétation physique l' énergie volumique correspond à L0 où c est la vitesse de la lumière . l' exitance ( flux ) correspond à L1 ( loi de Lambert ) la pression Les moments de Legendre de la fonction de phase La déviation à le cours d' une interaction est supposée ne dépendre que de de le produit scalaire de les angles définissant les directions de propagation Ω = ( θ , Φ ) et Ω ' = ( θ' , Φ' ) et on définit la déviation par son cosinus α tel que La fonction de phase est développée en polynômes de Legendre où les gi sont les moments de Legendre de la fonction de phase Le premier moment est souvent utilisé pour caractériser la dissymétrie de la fonction de phase , voire pour construire une fonction standard comme celle de Henyey-Greenstein . Les système PN En multipliant l' équation de transfert par chacun de les et en intégrant sur μ en tenant compte de la propriété d' orthogonalité de les polynômes on obtient un système de N+1 équations pour N+2 inconnues \ . On fera donc une hypothèse pour clore le système . La plus simple consiste à imposer mais il existe de les méthodes plus élaborées exprimant LN+1 en fonction de les termes connus . où On montre que la solution tend vers la solution physique lorsque N → ∞ . Elle est équivalente en tous points ( difficulté de mise en œuvre , performances en durée de résolution ) à la méthode SN , à l' exception de les pathologies , différentes dans les deux cas \ : cette méthode est sensible à le phénomène de Gibbs . Lien avec l' approximation d' Eddington L' approximation d' Eddington a été obtenue indépendamment de les travaux de James Jeans mais elle constitue en fait la méthode P1 . Cette approximation est due à Arthur Eddington . En utilisant l' expression de les deux premiers polynômes de Legendre et les quantités définies plus haut le développement s' écrit D' où les quantités Cette dernière expression constitue l' approximation d' Eddington . Méthode SPN Cette méthode constitue une simplification de la méthode PN ( S pour simplified ) proposée par E. M. Gelbart de manière heuristique et justifié ultérieurement par l' analyse asymptotique ou par une approche variationnelle . Dans cette méthode on omet la dérivée pour les valeurs paires de i , d' où En rapportant cette expression dans le système PN on obtient le système SPN \ : pour i impair Il s' agit d' un système d' équations de type diffusion donc sans difficulté numérique . Le nombre d' équations a été réduit par un facteur Un exemple simple Supposons un milieu homogène semi-infini à diffusion isotrope . Le système PN est alors le système linéaire suivant On suppose que N est impair \ : avec cette condition la matrice ci-dessus qui est diagonalisable a N + valeurs propres réelles par paires de signe opposé , ce qui justifie le choix d' une valeur impaire . Sa solution se met sous la forme d' une solution générale de le système homogène constitué de ( N + / exponentielles négatives ( les valeurs positives étant exclues pour obtenir une solution finie ) et de le terme constant S / κa constituant une solution particulière La courbe donnant les valeurs de γi montre la convergence de la méthode avec l' ordre . Les faibles valeurs correspondantes à les termes variant le plus lentement convergent plus rapidement . D' une façon générale l' erreur varie comme N-2 . Références Voir aussi Méthode MN Méthode SN Physique mathématique Astrophysique