L’idée de base derrière la méthode des éléments finis est l’approche classique consistant à décomposer un problème compliqué en une multitude de petits problèmes beaucoup plus simples à résoudre :
Pour illustrer les différents aspects abordés dans la suite, on utilisera l’exemple simple donné par la figure suivante :
Nous avons donc un problème de Poisson avec conditions de Dirichlet et Neumann, dont la formulation forte peut s’écrire :
$$\left\{\begin{aligned} \text{div} \left({\bf grad}\,u \right) + \beta &= 0, ~\text{dans}~\Omega\\ u|_{\Gamma_d} &= 0\\ \partial_n u|_{\Gamma_n} &= \gamma = 1 \end{aligned}\right.$$
avec $\beta$ définie par morceaux par : $$\left\{\begin{aligned} \beta &= 1 ~ ~\text{ dans }~ ~ \Omega_s \\ \beta &= 0 ~ ~\text{ dans }~ ~ \Omega/\Omega_s \end{aligned}\right.$$
Et d’après la section précédente, la formulation faible est :
$$\begin{aligned}&\text{Trouver}~u \in \text{H}_0({\bf grad},\Omega) = \left\{ u \in \text{H}({\bf grad},\Omega) : u|_{\Gamma_d} = 0\right\} ~\text{tel que :}\\ &\forall v \in \text{H}_0({\bf grad},\Omega), \iiint_{\Omega} {\bf grad}\,u \cdot{\bf grad}\,v~\text{d}\Omega - \iiint_{\Omega_s} v ~\text{d}\Omega - \iint_{\Gamma_n} v~\text{d}\Gamma = 0\end{aligned}$$
Soit :
$$\boxed{\begin{aligned}&\text{Trouver}~u \in \text{H}_0({\bf grad},\Omega)~\text{tel que :}\\ &\forall v \in \text{H}_0({\bf grad},\Omega),~~ \underbrace{\left({\bf grad}\,u,{\bf grad}\,v\right)_{\Omega} }_{a(u,v)}+ \underbrace{\left(-1,v\right)_{\Omega_s} + \left<-1,v\right>_{\Gamma_n}}_{-L(v)} = 0\end{aligned}}$$
$\rightsquigarrow$ C’est cette dernière que nous résoudrons par la suite.