La modélisation mathématique et la simulation numérique constituent une troisième voie d'approche de la réalité, qui complète des résultats obtenus par l'expérience et par la théorie analytique. L'avènement d'ordinateurs possédant une très grande puissance de calcul a conduit, ces dernières années, à un important développement de ces méthodes qui permettent de modéliser, à l'échelle moléculaire, le comportement chimique de phases condensées. L'étude d'exemples concernant des systèmes biologiques des matériaux en cours d'évolution ou des réactions de catalyse vient souligner tout l'intérêt qui s'attache à cette nouvelle discipline appelée à un grand avenir. Les Entretiens de la Physique sont des manifestations annuelles, organisées conjointement par la Société Française de Physique et le Conseil National des Ingénieurs et des Scientifiques de France.

Ce livre est issu d'un cours enseigné à l'École Polytechnique dont l'objectif, au delà de la présentation de l'analyse numérique et de l'optimisation, est d'introduire les étudiants au monde de la modélisation mathématique et de la simulation numérique. La modélisation et la simulation ont pris une importance considérable ces dernières décennies dans tous les domaines de la science et des applications industrielles (ou sciences de l'ingénieur). En effet, depuis leur apparition au lendemain de la seconde guerre mondiale les ordinateurs ont profondément transformé les mathématiques en en faisant une science expérimentale : on fait des ± expériences numériques » (des calculs sur ordinateurs) comme d'autres font des expériences physiques. L'analyse numérique est justement la discipline qui conçoit et analyse les méthodes ou algorithmes de calcul. La simulation numérique permet aux mathématiciens de s'attaquer à des problèmes beaucoup plus complexes et concrets qu'auparavant, issus de motivations immédiates industrielles ou scientifiques, auxquels on peut apporter des réponses à la fois qualitatives mais aussi quantitatives : c'est la modélisation mathématique. Remarquons qu'à coté des champs d'applications traditionnels que sont la chimie, le mécanique et la physique se sont ouverts de nouvelles perspectives en biologie, environnement, finance, médecine et sciences sociales. Par ailleurs, l'ingénieur ou le scientifique qui a réussi à simuler numériquement son problème ne s'arrête pas en si bon chemin: il veut ensuite pouvoir intervenir sur certains paramètres pour améliorer ou optimiser le fonctionnement, le rendement, ou la réponse d'un système en maximisant (ou minimisant) des fonctions associées. C'est précisément le but de l'optimisation qui fournit des outils théoriques ou numériques pour ce faire. L'analyse numérique et l'optimisation sont donc deux outils essentiels et complémentaires de la modélisation mathématique. Des travaux pratiques de simulation numérique à l'aide des logiciels Scilab et FreeFem++ accompagnent cet ouvrage et sont disponibles sur le site web http://www.cmap.polytechnique.fr/~allaire/

This concise and clear introduction to the topic requires only basic knowledge of calculus and linear algebra - all other concepts and ideas are developed in the course of the book. Lucidly written so as to appeal to undergraduates and practitioners alike, it enables readers to set up simple mathematical models on their own and to interpret their results and those of others critically. To achieve this, many examples have been chosen from various fields, such as biology, ecology, economics, medicine, agricultural, chemical, electrical, mechanical and process engineering, which are subsequently discussed in detail. Based on the author`s modeling and simulation experience in science and engineering and as a consultant, the book answers such basic questions as: What is a mathematical model? What types of models do exist? Which model is appropriate for a particular problem? What are simulation, parameter estimation, and validation? The book relies exclusively upon open-source software which is available to everybody free of charge. The entire book software - including 3D CFD and structural mechanics simulation software - can be used based on a free CAELinux-Live-DVD that is available in the Internet (works on most machines and operating systems).