Juan Casado-Dรญaz University of Sevilla
Model problem: ๐ฝ , ๐พ , ๐ > 0, ฮฉ โ โ ๐ open, bounded, ๐ โ ๐ผ โ 1 ฮฉ ๐ : ฮฉ ร โ ร โ ๐ โ โ Carathรฉdory functions, ๐ = 1,2, ๐บ ๐ ( ๐ฆ , ๐ก , ๐ ) โค ๐ท 1 + ๐ก 2 + ๐ 2 ๐บ CP inf ๐บ 1 ( ๐ฆ , ๐ฃ , โ๐ฃ ) ๐๐ฆ + ๐บ 2 ( ๐ฆ , ๐ฃ , โ๐ฃ ) ๐๐ฆ ๐ ฮฉ \ ๐ โ div ๐ฝ๐ ๐ + ๐พ๐ ฮฉ \ ๐ โ๐ฃ = ๐ in ฮฉ ๐ฃ = 0 ๐๐ ๐ ฮฉ ๐ โ ฮฉ measurable, ๐ โค ๐ F. Murat. This problem has not a solution in general. It is interesting to work with a relaxed formulation.
F. Murat, L.Tartar. If the functional to minimize is + โ ( ๐ฆ , ๐ฃ ) ๐ฝ๐ ๐ + ๐พ๐ ฮฉ \ ๐ โ๐ฃ 2 ๐๐ฆ ๐ป 1 ( ๐ฆ , ๐ฃ ) ๐๐ฆ + ๐ป 2 ( ๐ฆ , ๐ฃ ) ๐๐ฆ , ๐ ฮฉ \ ๐ ฮฉ A relaxation of (CP) is given by RCP inf ๐๐ป 1 ๐ฆ , ๐ฃ + 1 โ ๐ ๐ป 2 ๐ฆ , ๐ฃ + โ ( ๐ฆ , ๐ฃ ) ๐โ๐ฃโ๐ฃ ๐๐ฆ ฮฉ โ div ๐โ๐ฃ = ๐ in ฮฉ ๐ โ ๐ง ๐ , ๐ โค ๐ ๐ฃ = 0 ๐๐ ๐ ฮฉ ฮฉ ๐ง ๐ set of matrices constructed via homogenization using ๐ฝ with proportion ๐ and ๐พ with proportion 1 โ ๐ .
L. Tartar. K. Lurie, A. Cherkaev characterize ๐ง ๐ , 0 โค ๐ โค 1 โ 1 Define ๐ ๐ = ๐ ๐ฝ + 1 โ ๐ ฮ ๐ = ๐๐ฝ + (1 โ ๐ ) ๐พ , , ๐พ If ๐ โฅ 2, ๐ง ๐ is the set of symmetric matrices with eigenvalues satisfying ๐ ๐ โค ๐ 1 โค โฏ โค ๐ ๐ โค ฮ ๐ ๐ 1 ๐ โ 1 1 โค ฮ ๐ โ ๐ฝ + ๐ ๐ โ ๐ฝ ๐ ๐ โ ๐ฝ ๐ =1 ๐ 1 ๐ โ 1 1 โค ๐พ โ ฮ ๐ + ๐พ โ ๐ ๐ ๐พ โ ๐ ๐ ๐ =1 For our purpose it is enough to know ๐ง ๐ ๐ , ๐ โ โ ๐ ๐ง ๐ ๐ = ๐ถ ๐ ๐ + ฮ ๐ ๐ , ฮ ๐ โ ๐ ๐ ๐ if ๐ โฅ 2 2 2 ๐ ๐ ๐ if ๐ = 1
In general (JCD, J. Couce-Calvo, J.D. Martรญn-Gรณmez) the relaxed control problem has the form inf ๐ผ ๐ฆ , ๐ฃ , โ๐ฃ , ๐โ๐ฃ , ๐ ๐๐ฆ ฮฉ โ div ๐โ๐ฃ = ๐ in ฮฉ ๐ โ ๐ง ๐ , ๐๐๐ฆ โค ๐ , ๐ฃ = 0 ๐๐ ๐ ฮฉ ฮฉ or equivalently inf ๐ผ ๐ฆ , ๐ฃ , โ๐ฃ , ๐ , ๐ ๐๐ฆ ฮฉ 1 ฮฉ , ๐ โ ๐ฟ ๐ โ๐ฃ , ๐๐๐ฆ โ div ๐ = ๐ in ฮฉ , ๐ฃ โ ๐ผ 0 โค ๐ . ฮฉ Related results:Allaire, Bellido, Grabovski, Gutiรฉrrez, Maestre, Munch, Pedregal, Tartar,โฆ
Remark: If ๐ฃ ๐ , ๐ ๐ are solution of โ div ๐ฝ๐ ๐ ๐ + ๐พ๐ ฮฉ \ ๐ ๐ โ๐ฃ ๐ = ๐ in ฮฉ , ๐ฃ ๐ = 0 ๐๐ ๐ ฮฉ , then for a subsequence we have โ ๐ in ๐ โ ฮฉ 1 ฮฉ , ๐ ๐ = ๐ ๐ ๐ โ ๐ฃ ๐ โ ๐ฃ in ๐ผ 0 ๐ ๐ = ๐ฝ๐ ๐ ๐ + ๐พ๐ ฮฉ \ ๐ ๐ โ๐ฃ ๐ โ ๐ ๐๐ ๐ 2 ฮฉ ๐ div ๐ ๐ โ div ๐ ๐๐ ๐ผ โ 1 ฮฉ . ๐ We write ๐ฃ ๐ , ๐ ๐ , ๐ ๐ โ ๐ฃ , ๐ , ๐ .
๐ฃ , ๐ , ๐ = ๐ผ ( ๐ฆ , ๐ฃ , โฑ โ๐ฃ , ๐ , ๐ ) ๐๐ฆ ฮฉ is the lower semicontinous envelope for the ๐ -convergence of โฑ given by โฑ ๐ฃ , ๐ , ๐ = ๐บ 1 ( ๐ฆ , ๐ฃ , โ๐ฃ ) ๐๐ฆ + ๐บ 2 ( ๐ฆ , ๐ฃ , โ๐ฃ ) ๐๐ฆ ๐ ฮฉ \ ๐ if ๐ = ๐ ๐ , ๐ = ๐ฝ๐ ๐ + ๐พ๐ ฮฉ \ ๐ โ๐ฃ , โฑ ๐ฃ , ๐ , ๐ = + โ otherwise.
If ๐ = 1 , 1 ๐ฆ , ๐ก , ๐ 2 ๐ฆ , ๐ก , ๐ ๐ผ ๐ฆ , ๐ก , ๐ , ๐ , ๐ = ๐๐บ ๐ฝ + (1 โ ๐ ) ๐บ ๐ฝ ๐๐ ๐ = ๐ ( ๐ ) ๐ + โ otherwise. If ๐ > 1, we have ๏ท Dom ๐ผ = ๐ฆ , ๐ก , ๐ , ๐ , ๐ : ๐ โ ๐ง ๐ ๐ . ๏ท ๐ผ ๐ฆ , ๐ก , ๐ , ๐ , ๐ โค ๐ท 1 + ๐ก 2 + ฮพ 2 + ๐ 2 ๏ท ๐ผ satisfies the following convexity property ๐ผ ๐ฆ , ๐ก , ๐ฟ๐ 1 + 1 โ ๐ฟ ๐ 2 , ๐ฟ๐ 1 + 1 โ ๐ฟ ๐ 2 , ๐ฟ๐ 1 + 1 โ ๐ฟ ๐ 2 ) โค ๐ฟ ๐ผ ๐ฆ , ๐ก , ๐ 1 , ๐ 1 , ๐ 1 + 1 โ ๐ฟ ๐ผ ๐ฆ , ๐ 2 , ๐ 2 , ๐ 2 if ๐ฟ โ 0,1 , ๐ 2 โ ๐ 1 โ ๐ 2 โ ๐ 1 = 0. ๏ท 1 ๐ฆ , ๐ก , ๐พ๐ โ ๐ ๐ โ ๐ฝ๐ ๐ผ ๐ฆ , ๐ก , ๐ , ๐ , ๐ = ๐๐บ ๐พ โ ๐ฝ ๐ + 1 โ ๐ ๐บ 1 ๐ฆ , ๐ก , ๐พ โ ๐ฝ 1 โ ๐ if ๐ โ ๐๐ง ( ๐ ) ๐
๏ท If ๐บ ๐ ๐ฆ , ๐ก , ๐ , ๐ = 1, 2, are convex in ๐ , we have 1 ๐ฆ , ๐ก , ๐พ๐ โ ๐ ๐ โ ๐ฝ๐ ๐ผ ๐ฆ , ๐ก , ๐ , ๐ , ๐ โฅ๐๐บ ๐พ โ ๐ฝ ๐ + 1 โ ๐ ๐บ 1 ๐ฆ , ๐ก , ๐พ โ ๐ฝ 1 โ ๐ . Cases where ๐ผ is known 2 ๐ฆ , ๐ก , ๐ = ๐ ๐ฆ , ๐ก ๐ 2 ๐บ 1 ๐ฆ , ๐ก , ๐ โ ๐ฝ ๐พ ๐ ๐ฆ , ๐ก ๐ 2 convex in ๐ . ๐ ๐ฆ , ๐ก , ๐ = ๐บ โน ๐ผ ๐ฆ , ๐ก , ๐ , ๐ , ๐ = โ ๐ฆ , ๐ก ๐ โ ๐ + ๐๐ ๐ฆ , ๐ก , ๐ โ ๐พ๐ ๐ ๐พ โ ๐ฝ ๐พ It contains some cases proved by Bellido, Pedregal, Grabovsky, , โฆ โ ๐ฆ , ๐ก , ๐ , โ๐ โ โ ๐ such that the applications ๐ข โ ๐บ ๐ ๐ฆ , ๐ก , ๐ + ๐ข๐ are linear. 1 ๐ฆ , ๐ก , ๐พ๐ โ ๐ ๐ โ ๐ฝ๐ โ ๐ผ ๐ฆ , ๐ก , ๐ , ๐ , ๐ = ๐๐บ ๐พ โ ๐ฝ ๐ + 1 โ ๐ ๐บ 1 ๐ฆ , ๐ก , ๐พ โ ๐ฝ 1 โ ๐
Numerical Aproximation JCD, C. Couce-Calvo, M. Luna-Laynez, J.D. Martรญn-Gรณmez. A discretization using an upper approximation of H ๐ฆ , ๐ก , ๐ , ๐ , ๐ , with Take ๐ผ ๐ฆ , ๐ก , ๐ , ๐ , ๐ โฅ ๐ผ ๐ฆ , ๐ก , ๐ , ๐ , ๐ ๐ผ ๐ฆ , ๐ก , ๐ , ๐ฝ๐ , 1 = ๐บ ๐ฆ , ๐ก , ๐ , ๐พ๐ , 0 = ๐บ 1 ๐ฆ , ๐ก , ๐ , 2 ๐ฆ , ๐ก , ๐ . ๐ผ ๐ผ ๐ โ of ฮฉ For h>0, we consider a triangulation ๐ฐ โ = ๐ ๐ , โ ๐ =1 n ๏จ ๏ฉ h ๏ ๏ฝ ๏พ ๏ฃ ๏ T , T measurable , T 0 , diam T h i , h i , h i , h i , h ๏ฝ i 1 ๏ฝ ๏น ๏ T T 0 , if i j , i , h j , h ๏จ ๏ฉ ๏ ๏ 1 V h H and a sequence of closed subspaces 0
Discretized problem ( ๐ฆ , ๐ฃ โ , โ๐ฃ โ , ๐ โ โ๐ฃ โ , ๐ โ ) ๐๐ฆ min ๐ผ ฮฉ โค ๐ ๐ , ๐ โ โ ๐ง ๐ โ a.e. in ฮฉ 0 โค ๐ โ โค 1, ๐ โ ๐๐ฆ ฮฉ ๐ฃ โ โ ๐ โ , ๐ โ โ๐ฃ โ โ โ๐ค โ ๐๐ฆ = ๐๐ค โ ๐๐ฆ , โ๐ค โ โ ๐ โ ฮฉ ฮฉ ๐ โ , ๐ โ constants in the elements ๐ ๐ , โ
Assumptions on ๐ โ i) 1 ฮฉ , ๐ค โ ๐ค โ ๐ผ 0 โโ 0 min lim 1 ( ฮฉ ) = 0, โ๐ค โ ๐ผ 0 ๐ค โ โ๐ โ ii) ๐ฅ โ ๐ โ ๐ค โ ๐ผ 0 โโ 0 min lim 1 ฮฉ = 0, ๐ค โ โ๐ โ 1 ฮฉ , โ๐ โ ๐ท ๐ โ ฮฉ โ๐ฅ โ โ ๐ โ bounded in ๐ผ 0 iii) ๐ผ ๐ฆ , ๐ฃ โ , โ๐ฃ โ , ๐ โ , ๐ โ ๐๐ฆ lim โฅ ๐ผ ( ๐ฆ , ๐ฃ , โ๐ฃ , ๐ , ๐ ) ๐๐ฆ โโ 0 ฮฉ ฮฉ 1 ฮฉ , ๐ฃ โ โ ๐ โ๐ โ โ ๐ in ๐ 2 ฮฉ ๐ โ๐ฃ โ โ ๐ฃ in ๐ผ 0 โ , โ ๐ in ๐ โ ฮฉ , โ๐ โ โ 0 โค ๐ โ โค 1 a.e. in ฮฉ 1 ๐ โ โ ๐ โ โ๐ค โ ๐๐ฆ โโ 0 max lim = 0. ๐ค โ ๐ผ 0 ๐ค โ โ๐ โ 1 ฮฉ ฮฉ
๏จ ๏ฉ . ๏ฝ H 0 ๏ 1 Properties i), ii), iii) are satisfied for V h If V is a usual space of finite elements, it satisfies i), ii). h V satisfies iii). In the examples where we know H, every sequence h Theorem: The discrete problem has a solution ๏จ ๏ฉ ๏ฑ u h M , , h h 1 ฮฉ ๐ฃ โ โ ๐ฃ in ๐ผ 0 ๐ โ โ๐ฃ โ โ ๐โ๐ฃ in ๐ 2 ฮฉ ๐ Up to a subsequence โ ๐ in ๐ โ ฮฉ ๐ โ โ ๏จ ๏ฉ ๏ฌ ๏ฒ ๏ ๏ ๏ฑ inf H x , u , u , M u , dx ๏ฏ ๏ฏ ๏ ๏จ ๏ฉ ๏ฑ ๏ญ ๏ ๏ฝ ๏ ๏ฝ ๏ถ ๏ ๏ญ ( u,M , ) solution of div M u f in , u 0 on ๏ฏ ๏ฒ ๏ฃ ๏ฑ ๏ฃ ๏ ๏ฑ ๏ฑ ๏ฃ ๏ญ 0 1 , M K ( ) a.e. , dx ๏ฏ ๏ฎ ๏ ๏จ ๏ฉ ๏จ ๏ฉ ๏ฒ ๏ฒ ๏ ๏ ๏ฑ ๏ฝ ๏ ๏ ๏ฑ lim H x , u , u , M u , dx H x , u , u , M u , dx . h h h h h ๏ฎ h 0 ๏ ๏
Example 1: ๐ฆ , ๐ก , ๐ , ๐ต๐ , 1 = ๐บ ๐ฆ , ๐ก , ๐ , ๐ถ๐ , 0 = ๐บ 1 ๐ฆ , ๐ก , ๐ , 2 ๐ฆ , ๐ก , ๐ ๐ผ ๐ผ ๐ฆ , ๐ก , ๐ , ๐ , ๐ = + โ otherwise. ๐ผ In this case, we are solving a discrete version of the original (unrelaxed) problem, i.e. 1 ๐ฆ , ๐ฃ โ , โ๐ฃ โ ๐๐ฆ 2 ๐ฆ , ๐ฃ โ , โ๐ฃ โ ๐๐ฆ inf ๐บ + ๐บ ๐ ฮฉ \ ๐ ๐ฃ โ โ ๐ โ ๐ฝ๐ ๐ โ + ๐พ๐ ฮฉ \ ๐ โ โ๐ฃ โ โ โ๐ค โ ๐๐ฆ = ๐๐ค โ ๐๐ฆ , โ๐ค โ โ ๐ โ ฮฉ ฮฉ ๐ โ โค ๐ . ๐ โ a union of elements of ๐ฐ โ ,
in the Example 2: ( ๐ โฅ 2) Since we know the values of ๐ผ boundary of its domain, we can take ๐ฆ , ๐ก , ๐ , ๐ , ๐ ๐ผ 1 ๐ฆ , ๐ก , ๐พ๐ โ ๐ ๐ โ ๐ฝ๐ = ๐๐บ ๐ ๐พ โ ๐ฝ + (1 โ ๐ ) ๐บ 2 ๐ฆ , ๐ก , (1 โ ๐ ) ๐พ โ ๐ฝ if ๐ โ ๐๐ง ( ๐ ) ๐ ๐ฆ , ๐ก , ๐ , ๐ , ๐ = + โ elsewhere . ๐ผ = ๐ผ . Clearly, when we know the function ๐ผ we can just take ๐ผ
Recommend
More recommend