juan casado d az university of sevilla model problem
play

Juan Casado-Daz University of Sevilla Model problem: , , > 0, - PowerPoint PPT Presentation

Juan Casado-Daz University of Sevilla Model problem: , , > 0, open, bounded, 1 : Carathdory functions, = 1,2, ( , , )


  1. Juan Casado-Dรญaz University of Sevilla

  2. Model problem: ๐›ฝ , ๐›พ , ๐œˆ > 0, ฮฉ โŠ‚ โ„ ๐‘‚ open, bounded, ๐‘” โˆˆ ๐ผ โˆ’ 1 ฮฉ ๐‘— : ฮฉ ร— โ„ ร— โ„ ๐‘‚ โ†’ โ„ Carathรฉdory functions, ๐‘— = 1,2, ๐บ ๐‘— ( ๐‘ฆ , ๐‘ก , ๐œŠ ) โ‰ค ๐ท 1 + ๐‘ก 2 + ๐œŠ 2 ๐บ CP inf ๐บ 1 ( ๐‘ฆ , ๐‘ฃ , โˆ‡๐‘ฃ ) ๐‘’๐‘ฆ + ๐บ 2 ( ๐‘ฆ , ๐‘ฃ , โˆ‡๐‘ฃ ) ๐‘’๐‘ฆ ๐œ• ฮฉ \ ๐œ• โˆ’ div ๐›ฝ๐œ“ ๐œ• + ๐›พ๐œ“ ฮฉ \ ๐œ• โˆ‡๐‘ฃ = ๐‘” in ฮฉ ๐‘ฃ = 0 ๐‘๐‘œ ๐œ– ฮฉ ๐œ• โŠ‚ ฮฉ measurable, ๐œ• โ‰ค ๐œˆ F. Murat. This problem has not a solution in general. It is interesting to work with a relaxed formulation.

  3. F. Murat, L.Tartar. If the functional to minimize is + โ„Ž ( ๐‘ฆ , ๐‘ฃ ) ๐›ฝ๐œ“ ๐œ• + ๐›พ๐œ“ ฮฉ \ ๐œ• โˆ‡๐‘ฃ 2 ๐‘’๐‘ฆ ๐ป 1 ( ๐‘ฆ , ๐‘ฃ ) ๐‘’๐‘ฆ + ๐ป 2 ( ๐‘ฆ , ๐‘ฃ ) ๐‘’๐‘ฆ , ๐œ• ฮฉ \ ๐œ• ฮฉ A relaxation of (CP) is given by RCP inf ๐œ„๐ป 1 ๐‘ฆ , ๐‘ฃ + 1 โˆ’ ๐œ„ ๐ป 2 ๐‘ฆ , ๐‘ฃ + โ„Ž ( ๐‘ฆ , ๐‘ฃ ) ๐‘โˆ‡๐‘ฃโˆ‡๐‘ฃ ๐‘’๐‘ฆ ฮฉ โˆ’ div ๐‘โˆ‡๐‘ฃ = ๐‘” in ฮฉ ๐‘ โˆˆ ๐’ง ๐œ„ , ๐œ„ โ‰ค ๐œˆ ๐‘ฃ = 0 ๐‘๐‘œ ๐œ– ฮฉ ฮฉ ๐’ง ๐œ„ set of matrices constructed via homogenization using ๐›ฝ with proportion ๐œ„ and ๐›พ with proportion 1 โˆ’ ๐œ„ .

  4. L. Tartar. K. Lurie, A. Cherkaev characterize ๐’ง ๐‘ž , 0 โ‰ค ๐‘ž โ‰ค 1 โˆ’ 1 Define ๐œ‡ ๐‘ž = ๐‘ž ๐›ฝ + 1 โˆ’ ๐‘ž ฮ› ๐‘ž = ๐‘ž๐›ฝ + (1 โˆ’ ๐‘ž ) ๐›พ , , ๐›พ If ๐‘‚ โ‰ฅ 2, ๐’ง ๐‘ž is the set of symmetric matrices with eigenvalues satisfying ๐œ‡ ๐‘ž โ‰ค ๐œ‡ 1 โ‰ค โ‹ฏ โ‰ค ๐œ‡ ๐‘‚ โ‰ค ฮ› ๐‘ž ๐‘‚ 1 ๐‘‚ โˆ’ 1 1 โ‰ค ฮ› ๐‘ž โˆ’ ๐›ฝ + ๐œ‡ ๐‘ž โˆ’ ๐›ฝ ๐œ‡ ๐‘— โˆ’ ๐›ฝ ๐‘— =1 ๐‘‚ 1 ๐‘‚ โˆ’ 1 1 โ‰ค ๐›พ โˆ’ ฮ› ๐‘ž + ๐›พ โˆ’ ๐œ‡ ๐‘ž ๐›พ โˆ’ ๐œ‡ ๐‘— ๐‘— =1 For our purpose it is enough to know ๐’ง ๐‘ž ๐œŠ , ๐œŠ โˆˆ โ„ ๐‘‚ ๐’ง ๐‘ž ๐œŠ = ๐ถ ๐œ‡ ๐‘ž + ฮ› ๐‘ž ๐œŠ , ฮ› ๐‘ž โˆ’ ๐œ‡ ๐‘ž ๐œŠ if ๐‘‚ โ‰ฅ 2 2 2 ๐œ‡ ๐‘ž ๐œŠ if ๐‘‚ = 1

  5. In general (JCD, J. Couce-Calvo, J.D. Martรญn-Gรณmez) the relaxed control problem has the form inf ๐ผ ๐‘ฆ , ๐‘ฃ , โˆ‡๐‘ฃ , ๐‘โˆ‡๐‘ฃ , ๐œ„ ๐‘’๐‘ฆ ฮฉ โˆ’ div ๐‘โˆ‡๐‘ฃ = ๐‘” in ฮฉ ๐‘ โˆˆ ๐’ง ๐œ„ , ๐œ„๐‘’๐‘ฆ โ‰ค ๐œˆ , ๐‘ฃ = 0 ๐‘๐‘œ ๐œ– ฮฉ ฮฉ or equivalently inf ๐ผ ๐‘ฆ , ๐‘ฃ , โˆ‡๐‘ฃ , ๐œ , ๐œ„ ๐‘’๐‘ฆ ฮฉ 1 ฮฉ , ๐œ โˆˆ ๐ฟ ๐œ„ โˆ‡๐‘ฃ , ๐œ„๐‘’๐‘ฆ โˆ’ div ๐œ = ๐‘” in ฮฉ , ๐‘ฃ โˆˆ ๐ผ 0 โ‰ค ๐œˆ . ฮฉ Related results:Allaire, Bellido, Grabovski, Gutiรฉrrez, Maestre, Munch, Pedregal, Tartar,โ€ฆ

  6. Remark: If ๐‘ฃ ๐‘œ , ๐œ• ๐‘œ are solution of โˆ’ div ๐›ฝ๐œ“ ๐œ• ๐‘œ + ๐›พ๐œ“ ฮฉ \ ๐œ• ๐‘œ โˆ‡๐‘ฃ ๐‘œ = ๐‘” in ฮฉ , ๐‘ฃ ๐‘œ = 0 ๐‘๐‘œ ๐œ– ฮฉ , then for a subsequence we have โˆ— ๐œ„ in ๐‘€ โˆž ฮฉ 1 ฮฉ , ๐œ„ ๐‘œ = ๐œ“ ๐œ• ๐‘œ โ‡€ ๐‘ฃ ๐‘œ โ‡€ ๐‘ฃ in ๐ผ 0 ๐œ ๐‘œ = ๐›ฝ๐œ“ ๐œ• ๐‘œ + ๐›พ๐œ“ ฮฉ \ ๐œ• ๐‘œ โˆ‡๐‘ฃ ๐‘œ โ‡€ ๐œ ๐‘—๐‘œ ๐‘€ 2 ฮฉ ๐‘‚ div ๐œ ๐‘œ โ†’ div ๐œ ๐‘—๐‘œ ๐ผ โˆ’ 1 ฮฉ . ๐œ We write ๐‘ฃ ๐‘œ , ๐œ ๐‘œ , ๐œ„ ๐‘œ โ†’ ๐‘ฃ , ๐œ , ๐œ„ .

  7. ๐‘ฃ , ๐œ , ๐œ„ = ๐ผ ( ๐‘ฆ , ๐‘ฃ , โ„ฑ โˆ‡๐‘ฃ , ๐œ , ๐œ„ ) ๐‘’๐‘ฆ ฮฉ is the lower semicontinous envelope for the ๐œ -convergence of โ„ฑ given by โ„ฑ ๐‘ฃ , ๐œ , ๐œ„ = ๐บ 1 ( ๐‘ฆ , ๐‘ฃ , โˆ‡๐‘ฃ ) ๐‘’๐‘ฆ + ๐บ 2 ( ๐‘ฆ , ๐‘ฃ , โˆ‡๐‘ฃ ) ๐‘’๐‘ฆ ๐œ• ฮฉ \ ๐œ• if ๐œ„ = ๐œ“ ๐œ• , ๐œ = ๐›ฝ๐œ“ ๐œ• + ๐›พ๐œ“ ฮฉ \ ๐œ• โˆ‡๐‘ฃ , โ„ฑ ๐‘ฃ , ๐œ , ๐œ„ = + โˆž otherwise.

  8. If ๐‘‚ = 1 , 1 ๐‘ฆ , ๐‘ก , ๐œƒ 2 ๐‘ฆ , ๐‘ก , ๐œƒ ๐ผ ๐‘ฆ , ๐‘ก , ๐œŠ , ๐œƒ , ๐‘ž = ๐‘ž๐บ ๐›ฝ + (1 โˆ’ ๐‘ž ) ๐บ ๐›ฝ ๐‘—๐‘” ๐œƒ = ๐œ‡ ( ๐‘ž ) ๐œŠ + โˆž otherwise. If ๐‘‚ > 1, we have ๏‚ท Dom ๐ผ = ๐‘ฆ , ๐‘ก , ๐œŠ , ๐œƒ , ๐‘ž : ๐œƒ โˆˆ ๐’ง ๐‘ž ๐œŠ . ๏‚ท ๐ผ ๐‘ฆ , ๐‘ก , ๐œŠ , ๐œƒ , ๐‘ž โ‰ค ๐ท 1 + ๐‘ก 2 + ฮพ 2 + ๐œƒ 2 ๏‚ท ๐ผ satisfies the following convexity property ๐ผ ๐‘ฆ , ๐‘ก , ๐›ฟ๐œŠ 1 + 1 โˆ’ ๐›ฟ ๐œŠ 2 , ๐›ฟ๐œƒ 1 + 1 โˆ’ ๐›ฟ ๐œƒ 2 , ๐›ฟ๐‘ž 1 + 1 โˆ’ ๐›ฟ ๐‘ž 2 ) โ‰ค ๐›ฟ ๐ผ ๐‘ฆ , ๐‘ก , ๐œŠ 1 , ๐œƒ 1 , ๐‘ž 1 + 1 โˆ’ ๐›ฟ ๐ผ ๐‘ฆ , ๐œŠ 2 , ๐œƒ 2 , ๐‘ž 2 if ๐›ฟ โˆˆ 0,1 , ๐œŠ 2 โˆ’ ๐œŠ 1 โˆ™ ๐œƒ 2 โˆ’ ๐œƒ 1 = 0. ๏‚ท 1 ๐‘ฆ , ๐‘ก , ๐›พ๐œŠ โˆ’ ๐œƒ ๐œƒ โˆ’ ๐›ฝ๐œŠ ๐ผ ๐‘ฆ , ๐‘ก , ๐œŠ , ๐œƒ , ๐‘ž = ๐‘ž๐บ ๐›พ โˆ’ ๐›ฝ ๐‘ž + 1 โˆ’ ๐‘ž ๐บ 1 ๐‘ฆ , ๐‘ก , ๐›พ โˆ’ ๐›ฝ 1 โˆ’ ๐‘ž if ๐œƒ โˆˆ ๐œ–๐’ง ( ๐‘ž ) ๐œŠ

  9. ๏‚ท If ๐บ ๐‘— ๐‘ฆ , ๐‘ก , ๐œŠ , ๐‘— = 1, 2, are convex in ๐œŠ , we have 1 ๐‘ฆ , ๐‘ก , ๐›พ๐œŠ โˆ’ ๐œƒ ๐œƒ โˆ’ ๐›ฝ๐œŠ ๐ผ ๐‘ฆ , ๐‘ก , ๐œŠ , ๐œƒ , ๐‘ž โ‰ฅ๐‘ž๐บ ๐›พ โˆ’ ๐›ฝ ๐‘ž + 1 โˆ’ ๐‘ž ๐บ 1 ๐‘ฆ , ๐‘ก , ๐›พ โˆ’ ๐›ฝ 1 โˆ’ ๐‘ž . Cases where ๐ผ is known 2 ๐‘ฆ , ๐‘ก , ๐œŠ = ๐‘  ๐‘ฆ , ๐‘ก ๐œŠ 2 ๐บ 1 ๐‘ฆ , ๐‘ก , ๐œŠ โˆ’ ๐›ฝ ๐›พ ๐‘  ๐‘ฆ , ๐‘ก ๐œŠ 2 convex in ๐œŠ . ๐‘… ๐‘ฆ , ๐‘ก , ๐œŠ = ๐บ โŸน ๐ผ ๐‘ฆ , ๐‘ก , ๐œŠ , ๐œƒ , ๐‘ž = โ„Ž ๐‘ฆ , ๐‘ก ๐œŠ โˆ™ ๐œƒ + ๐‘ž๐‘… ๐‘ฆ , ๐‘ก , ๐œƒ โˆ’ ๐›พ๐œŠ ๐‘ž ๐›พ โˆ’ ๐›ฝ ๐›พ It contains some cases proved by Bellido, Pedregal, Grabovsky, , โ€ฆ โˆ€ ๐‘ฆ , ๐‘ก , ๐œŠ , โˆƒ๐œ‚ โˆˆ โ„ ๐‘‚ such that the applications ๐‘ข โ†’ ๐บ ๐‘— ๐‘ฆ , ๐‘ก , ๐œŠ + ๐‘ข๐œ‚ are linear. 1 ๐‘ฆ , ๐‘ก , ๐›พ๐œŠ โˆ’ ๐œƒ ๐œƒ โˆ’ ๐›ฝ๐œŠ โ‡’ ๐ผ ๐‘ฆ , ๐‘ก , ๐œŠ , ๐œƒ , ๐‘ž = ๐‘ž๐บ ๐›พ โˆ’ ๐›ฝ ๐‘ž + 1 โˆ’ ๐‘ž ๐บ 1 ๐‘ฆ , ๐‘ก , ๐›พ โˆ’ ๐›ฝ 1 โˆ’ ๐‘ž

  10. Numerical Aproximation JCD, C. Couce-Calvo, M. Luna-Laynez, J.D. Martรญn-Gรณmez. A discretization using an upper approximation of H ๐‘ฆ , ๐‘ก , ๐œŠ , ๐œƒ , ๐‘ž , with Take ๐ผ ๐‘ฆ , ๐‘ก , ๐œŠ , ๐œƒ , ๐‘ž โ‰ฅ ๐ผ ๐‘ฆ , ๐‘ก , ๐œŠ , ๐œƒ , ๐‘ž ๐ผ ๐‘ฆ , ๐‘ก , ๐œŠ , ๐›ฝ๐œŠ , 1 = ๐บ ๐‘ฆ , ๐‘ก , ๐œŠ , ๐›พ๐œŠ , 0 = ๐บ 1 ๐‘ฆ , ๐‘ก , ๐œŠ , 2 ๐‘ฆ , ๐‘ก , ๐œŠ . ๐ผ ๐ผ ๐‘œ โ„Ž of ฮฉ For h>0, we consider a triangulation ๐’ฐ โ„Ž = ๐‘ˆ ๐‘— , โ„Ž 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 ๏ƒŒ ๏— 1 V h H and a sequence of closed subspaces 0

  11. Discretized problem ( ๐‘ฆ , ๐‘ฃ โ„Ž , โˆ‡๐‘ฃ โ„Ž , ๐‘ โ„Ž โˆ‡๐‘ฃ โ„Ž , ๐œ„ โ„Ž ) ๐‘’๐‘ฆ min ๐ผ ฮฉ โ‰ค ๐œˆ ๐‘— , ๐‘ โ„Ž โˆˆ ๐’ง ๐œ„ โ„Ž a.e. in ฮฉ 0 โ‰ค ๐œ„ โ„Ž โ‰ค 1, ๐œ„ โ„Ž ๐‘’๐‘ฆ ฮฉ ๐‘ฃ โ„Ž โˆˆ ๐‘Š โ„Ž , ๐‘ โ„Ž โˆ‡๐‘ฃ โ„Ž โˆ™ โˆ‡๐‘ค โ„Ž ๐‘’๐‘ฆ = ๐‘”๐‘ค โ„Ž ๐‘’๐‘ฆ , โˆ€๐‘ค โ„Ž โˆˆ ๐‘Š โ„Ž ฮฉ ฮฉ ๐‘ โ„Ž , ๐œ„ โ„Ž constants in the elements ๐‘ˆ ๐‘— , โ„Ž

  12. Assumptions on ๐‘Š โ„Ž i) 1 ฮฉ , ๐‘ค โˆ’ ๐‘ค โ„Ž ๐ผ 0 โ„Žโ†’ 0 min lim 1 ( ฮฉ ) = 0, โˆ€๐‘ค โˆˆ ๐ผ 0 ๐‘ค โ„Ž โˆˆ๐‘Š โ„Ž ii) ๐‘ฅ โ„Ž ๐œ’ โˆ’ ๐‘ค โ„Ž ๐ผ 0 โ„Žโ†’ 0 min lim 1 ฮฉ = 0, ๐‘ค โ„Ž โˆˆ๐‘Š โ„Ž 1 ฮฉ , โˆ€๐œ’ โˆˆ ๐ท ๐‘‘ โˆž ฮฉ โˆ€๐‘ฅ โ„Ž โˆˆ ๐‘Š โ„Ž bounded in ๐ผ 0 iii) ๐ผ ๐‘ฆ , ๐‘ฃ โ„Ž , โˆ‡๐‘ฃ โ„Ž , ๐œ โ„Ž , ๐œ„ โ„Ž ๐‘’๐‘ฆ lim โ‰ฅ ๐ผ ( ๐‘ฆ , ๐‘ฃ , โˆ‡๐‘ฃ , ๐œ , ๐œ„ ) ๐‘’๐‘ฆ โ„Žโ†’ 0 ฮฉ ฮฉ 1 ฮฉ , ๐‘ฃ โ„Ž โˆˆ ๐‘Š โˆ€๐œ โ„Ž โ‡€ ๐œ in ๐‘€ 2 ฮฉ ๐‘‚ โˆ€๐‘ฃ โ„Ž โ‡€ ๐‘ฃ in ๐ผ 0 โ„Ž , โˆ— ๐œ„ in ๐‘€ โˆž ฮฉ , โˆ€๐œ„ โ„Ž โ‡€ 0 โ‰ค ๐œ„ โ„Ž โ‰ค 1 a.e. in ฮฉ 1 ๐œ โ„Ž โˆ’ ๐œ โˆ™ โˆ‡๐‘ค โ„Ž ๐‘’๐‘ฆ โ„Žโ†’ 0 max lim = 0. ๐‘ค โ„Ž ๐ผ 0 ๐‘ค โ„Ž โˆˆ๐‘Š โ„Ž 1 ฮฉ ฮฉ

  13. ๏€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 ๐‘ฃ โ„Ž โ‡€ ๐‘ฃ in ๐ผ 0 ๐‘ โ„Ž โˆ‡๐‘ฃ โ„Ž โ‡€ ๐‘โˆ‡๐‘ฃ in ๐‘€ 2 ฮฉ ๐‘‚ Up to a subsequence โˆ— ๐œ„ in ๐‘€ โˆž ฮฉ ๐œ„ โ„Ž โ‡€ ๏€จ ๏€ฉ ๏ƒฌ ๏ƒฒ ๏ƒ‘ ๏ƒ‘ ๏ฑ inf H x , u , u , M u , dx ๏ƒฏ ๏ƒฏ ๏— ๏€จ ๏€ฉ ๏ฑ ๏€ญ ๏ƒ‘ ๏€ฝ ๏— ๏€ฝ ๏‚ถ ๏— ๏ƒญ ( u,M , ) solution of div M u f in , u 0 on ๏ƒฏ ๏ƒฒ ๏‚ฃ ๏ฑ ๏‚ฃ ๏ƒŽ ๏ฑ ๏ฑ ๏‚ฃ ๏ญ 0 1 , M K ( ) a.e. , dx ๏ƒฏ ๏ƒฎ ๏— ๏€จ ๏€ฉ ๏€จ ๏€ฉ ๏ƒฒ ๏ƒฒ ๏ƒ‘ ๏ƒ‘ ๏ฑ ๏€ฝ ๏ƒ‘ ๏ƒ‘ ๏ฑ lim H x , u , u , M u , dx H x , u , u , M u , dx . h h h h h ๏‚ฎ h 0 ๏— ๏—

  14. Example 1: ๐‘ฆ , ๐‘ก , ๐œŠ , ๐ต๐œŠ , 1 = ๐บ ๐‘ฆ , ๐‘ก , ๐œŠ , ๐ถ๐œŠ , 0 = ๐บ 1 ๐‘ฆ , ๐‘ก , ๐œŠ , 2 ๐‘ฆ , ๐‘ก , ๐œŠ ๐ผ ๐ผ ๐‘ฆ , ๐‘ก , ๐œŠ , ๐œƒ , ๐‘ž = + โˆž otherwise. ๐ผ In this case, we are solving a discrete version of the original (unrelaxed) problem, i.e. 1 ๐‘ฆ , ๐‘ฃ โ„Ž , โˆ‡๐‘ฃ โ„Ž ๐‘’๐‘ฆ 2 ๐‘ฆ , ๐‘ฃ โ„Ž , โˆ‡๐‘ฃ โ„Ž ๐‘’๐‘ฆ inf ๐บ + ๐บ ๐œ• ฮฉ \ ๐œ• ๐‘ฃ โ„Ž โˆˆ ๐‘Š โ„Ž ๐›ฝ๐œ“ ๐œ• โ„Ž + ๐›พ๐œ“ ฮฉ \ ๐œ• โ„Ž โˆ‡๐‘ฃ โ„Ž โˆ™ โˆ‡๐‘ค โ„Ž ๐‘’๐‘ฆ = ๐‘”๐‘ค โ„Ž ๐‘’๐‘ฆ , โˆ€๐‘ค โ„Ž โˆˆ ๐‘Š โ„Ž ฮฉ ฮฉ ๐œ• โ„Ž โ‰ค ๐œˆ . ๐œ• โ„Ž a union of elements of ๐’ฐ โ„Ž ,

  15. in the Example 2: ( ๐‘‚ โ‰ฅ 2) Since we know the values of ๐ผ boundary of its domain, we can take ๐‘ฆ , ๐‘ก , ๐œŠ , ๐œƒ , ๐‘ž ๐ผ 1 ๐‘ฆ , ๐‘ก , ๐›พ๐œŠ โˆ’ ๐œƒ ๐œƒ โˆ’ ๐›ฝ๐œŠ = ๐‘ž๐บ ๐‘ž ๐›พ โˆ’ ๐›ฝ + (1 โˆ’ ๐‘ž ) ๐บ 2 ๐‘ฆ , ๐‘ก , (1 โˆ’ ๐‘ž ) ๐›พ โˆ’ ๐›ฝ if ๐œƒ โˆˆ ๐œ–๐’ง ( ๐‘ž ) ๐œŠ ๐‘ฆ , ๐‘ก , ๐œŠ , ๐œƒ , ๐‘ž = + โˆž elsewhere . ๐ผ = ๐ผ . Clearly, when we know the function ๐ผ we can just take ๐ผ

Recommend


More recommend