Lemme de Céa

Le lemme de Céa —du nom de Jean Céa— est un lemme mathématique. Il permet de montrer des estimations d'erreurs pour la méthode des éléments finis appliquée aux équations aux dérivées partielles elliptiques.

Énoncé

Soit $V$ un espace de Hilbert réel muni de la norme $‖ \cdot ‖ .$ Soit $a : V \times V \to ℝ$ une forme bilinéaire telle que :

$| a (v, w) | \leq γ ‖ v ‖ ‖ w ‖$ pour une constante $γ > 0$ et pour tout $v, w$ dans $V$ (continuité)
$a (v, v) \geq α ‖ v ‖^{2}$ pour une constante $α > 0$ et tout $v$ dans $V$ (coercivité ou $V$ -ellipticité).

Soit $L : V \to ℝ$ une forme linéaire continue.

Cherchons un élément $u$ dans $V$ tel que

a (u, v) = L (v)

pour tout

v

dans

V .

Considérons le même problème dans le sous-espace de dimension finie $V_{h}$ de $V,$ tel que, $u_{h} \in V_{h}$ vérifie

a (u_{h}, v) = L (v)

pour tout

v

dans

V_{h} .

Le Théorème de Lax-Milgram garantit l'existence et l'unicité d'une solution pour chacun de ces deux problèmes. Le lemme de Céa est l'inégalité suivante

‖ u - u_{h} ‖ \leq \frac{γ}{α} ‖ u - v ‖

pour tout

v

dans

V_{h} .

Autrement dit $u_{h}$ est « la meilleure » approximation de $u$ dans $V_{h},$ à une constante multiplicative $γ / α$ près.

La preuve est immédiate

α ‖ u - u_{h} ‖^{2} \leq a (u - u_{h}, u - u_{h}) = a (u - u_{h}, u - v) + a (u - u_{h}, v - u_{h}) = a (u - u_{h}, u - v) \leq γ ‖ u - u_{h} ‖ ‖ u - v ‖

pour tout

v

dans

V_{h} .

Nous avons utilisé la $a$ -orthogonalité de $u - u_{h}$ et $V_{h}$

a (u - u_{h}, v) = 0, \forall v \in V_{h}

qui découle directement de $V_{h} \subset V$

a (u, v) = L (v) = a (u_{h}, v)

pour tout

v

dans

V_{h}

.

Note : Le lemme de Céa est aussi valable dans les espaces de Hilbert complexes, on considère une forme sesquilinéaire $a (\cdot, \cdot)$ au lieu d'une forme bilinéaire. L'hypothèse de coercivité devient $| a (v, v) | \geq α ‖ v ‖^{2}$ pour tout $v$ dans $V$ (Notez le module autour de $a (v, v)$ ).