Juan Casado-Daz University of Sevilla Model problem: , , > 0, - - PowerPoint PPT Presentation
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, ( , , )
Model problem:
๐ฝ, ๐พ, ๐ > 0, ฮฉ โ โ๐ open, bounded, ๐ โ ๐ผโ1 ฮฉ ๐บ
๐: ฮฉ ร โ ร โ๐ โ โ Carathรฉdory functions, ๐ = 1,2,
๐บ
๐(๐ฆ, ๐ก, ๐) โค ๐ท 1 + ๐ก 2 + ๐ 2
CP inf ๐บ
1(๐ฆ, ๐ฃ, โ๐ฃ)๐๐ฆ ๐
+ ๐บ
2(๐ฆ, ๐ฃ, โ๐ฃ)๐๐ฆ ฮฉ\๐
โdiv ๐ฝ๐๐ + ๐พ๐ฮฉ\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
๐ป1(๐ฆ, ๐ฃ)๐๐ฆ
๐
+ ๐ป2(๐ฆ, ๐ฃ)๐๐ฆ
ฮฉ\๐
+ โ(๐ฆ, ๐ฃ) ๐ฝ๐๐ + ๐พ๐ฮฉ\๐ โ๐ฃ 2๐๐ฆ
ฮฉ
, A relaxation of (CP) is given by RCP inf ๐๐ป1 ๐ฆ, ๐ฃ + 1 โ ๐ ๐ป2 ๐ฆ, ๐ฃ + โ(๐ฆ, ๐ฃ)๐โ๐ฃโ๐ฃ ๐๐ฆ
ฮฉ
โdiv ๐โ๐ฃ = ๐ in ฮฉ ๐ฃ = 0 ๐๐ ๐ ฮฉ ๐ โ ๐ง ๐ , ๐
ฮฉ
โค ๐ 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
Define ๐ ๐ = ๐ ๐ฝ + 1 โ ๐ ๐พ
โ1
, ฮ ๐ = ๐๐ฝ + (1 โ ๐)๐พ, If ๐ โฅ 2, ๐ง ๐ is the set of symmetric matrices with eigenvalues satisfying ๐ ๐ โค ๐1 โค โฏ โค ๐๐ โค ฮ ๐ 1 ๐๐ โ ๐ฝ
๐ ๐=1
โค ๐ โ 1 ฮ ๐ โ ๐ฝ + 1 ๐ ๐ โ ๐ฝ 1 ๐พ โ ๐๐
๐ ๐=1
โค ๐ โ 1 ๐พ โ ฮ ๐ + 1 ๐พ โ ๐ ๐ For our purpose it is enough to know ๐ง ๐ ๐, ๐ โ โ๐ ๐ง ๐ ๐ = ๐ถ ๐ ๐ + ฮ ๐ 2 ๐, ฮ ๐ โ ๐ ๐ 2 ๐ if ๐ โฅ 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
โdiv ๐โ๐ฃ = ๐ in ฮฉ ๐ฃ = 0 ๐๐ ๐ ฮฉ ๐ โ ๐ง ๐ , ๐๐๐ฆ
ฮฉ
โค ๐,
- r equivalently inf ๐ผ ๐ฆ, ๐ฃ, โ๐ฃ, ๐, ๐ ๐๐ฆ
ฮฉ
โdiv๐ = ๐ in ฮฉ, ๐ฃ โ ๐ผ0
1 ฮฉ , ๐ โ ๐ฟ ๐ โ๐ฃ, ๐๐๐ฆ ฮฉ
โค ๐. Related results:Allaire, Bellido, Grabovski, Gutiรฉrrez, Maestre, Munch, Pedregal, Tartar,โฆ
Remark: If ๐ฃ๐, ๐๐ are solution of โdiv ๐ฝ๐๐๐ + ๐พ๐ฮฉ\๐๐ โ๐ฃ๐ = ๐ in ฮฉ, ๐ฃ๐ = 0 ๐๐ ๐ ฮฉ, then for a subsequence we have ๐ฃ๐ โ ๐ฃ in ๐ผ0
1 ฮฉ , ๐๐ = ๐๐๐ โ โ ๐ in ๐โ ฮฉ
๐๐ = ๐ฝ๐๐๐ + ๐พ๐ฮฉ\๐๐ โ๐ฃ๐ โ ๐ ๐๐ ๐2 ฮฉ ๐ div๐๐ โ div๐ ๐๐ ๐ผโ1 ฮฉ . We write ๐ฃ๐, ๐๐, ๐๐
๐
โ ๐ฃ, ๐, ๐ .
โฑ ๐ฃ, ๐, ๐ = ๐ผ(๐ฆ, ๐ฃ,
ฮฉ
โ๐ฃ, ๐, ๐)๐๐ฆ is the lower semicontinous envelope for the ๐-convergence of โฑ given by โฑ ๐ฃ, ๐, ๐ = ๐บ
1(๐ฆ, ๐ฃ, โ๐ฃ)๐๐ฆ ๐
+ ๐บ
2(๐ฆ, ๐ฃ, โ๐ฃ)๐๐ฆ ฮฉ\๐
if ๐ = ๐๐, ๐ = ๐ฝ๐๐ + ๐พ๐ฮฉ\๐ โ๐ฃ, โฑ ๐ฃ, ๐, ๐ = +โ otherwise.
If ๐ = 1, ๐ผ ๐ฆ, ๐ก, ๐, ๐, ๐ = ๐๐บ
1 ๐ฆ, ๐ก, ๐
๐ฝ + (1 โ ๐)๐บ
2 ๐ฆ, ๐ก, ๐
๐ฝ ๐๐ ๐ = ๐(๐)๐ +โ
- therwise.
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, ๐ฟ๐1 + 1 โ ๐ฟ ๐2, ๐ฟ๐1 + 1 โ ๐ฟ ๐2 , ๐ฟ๐1 + 1 โ ๐ฟ ๐2) โค ๐ฟ ๐ผ ๐ฆ, ๐ก, ๐1, ๐1, ๐1 + 1 โ ๐ฟ ๐ผ ๐ฆ, ๐2, ๐2, ๐2 if ๐ฟ โ 0,1 , ๐2 โ ๐1 โ ๐2 โ ๐1 = 0. ๏ท ๐ผ ๐ฆ, ๐ก, ๐, ๐, ๐ =๐๐บ
1 ๐ฆ, ๐ก, ๐พ๐ โ ๐
๐พ โ ๐ฝ ๐ + 1 โ ๐ ๐บ
1 ๐ฆ, ๐ก,
๐ โ ๐ฝ๐ 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
๐ผ ๐ฆ, ๐ก, ๐, ๐, ๐ โฅ๐๐บ
1 ๐ฆ, ๐ก, ๐พ๐ โ ๐
๐พ โ ๐ฝ ๐ + 1 โ ๐ ๐บ
1 ๐ฆ, ๐ก,
๐ โ ๐ฝ๐ ๐พ โ ๐ฝ 1 โ ๐ . Cases where ๐ผ is known ๐บ
2 ๐ฆ, ๐ก, ๐ = ๐ ๐ฆ, ๐ก ๐ 2
๐ ๐ฆ, ๐ก, ๐ = ๐บ
1 ๐ฆ, ๐ก, ๐ โ ๐ฝ
๐พ ๐ ๐ฆ, ๐ก ๐ 2 convex in ๐ . โน ๐ผ ๐ฆ, ๐ก, ๐, ๐, ๐ = โ ๐ฆ, ๐ก ๐พ ๐ โ ๐ + ๐๐ ๐ฆ, ๐ก, ๐ โ ๐พ๐ ๐ ๐พ โ ๐ฝ It contains some cases proved by Bellido, Pedregal, Grabovsky, ,โฆ โ ๐ฆ, ๐ก, ๐ , โ๐ โ โ๐ such that the applications ๐ข โ ๐บ
๐ ๐ฆ, ๐ก, ๐ + ๐ข๐ are linear.
โ ๐ผ ๐ฆ, ๐ก, ๐, ๐, ๐ =๐๐บ
1 ๐ฆ, ๐ก, ๐พ๐ โ ๐
๐พ โ ๐ฝ ๐ + 1 โ ๐ ๐บ
1 ๐ฆ, ๐ก,
๐ โ ๐ฝ๐ 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 Take ๐ผ ๐ฆ, ๐ก, ๐, ๐, ๐ , with ๐ผ ๐ฆ, ๐ก, ๐, ๐, ๐ โฅ ๐ผ ๐ฆ, ๐ก, ๐, ๐, ๐ ๐ผ ๐ฆ, ๐ก, ๐, ๐ฝ๐, 1 = ๐บ
1 ๐ฆ, ๐ก, ๐ ,
๐ผ ๐ฆ, ๐ก, ๐, ๐พ๐, 0 = ๐บ
2 ๐ฆ, ๐ก, ๐ .
For h>0, we consider a triangulation ๐ฐ
โ = ๐๐,โ ๐=1 ๐โ of ฮฉ
๏จ ๏ฉ
, if , diam , , measurable ,
, , , , , 1 ,
j i T T h T T T T
h j h i h i h i h i h n i h i
๏น ๏ฝ ๏ฃ ๏พ ๏ฝ ๏
๏ฝ
๏
๏
and a sequence of closed subspaces
๏จ ๏ฉ
๏ ๏
1
H Vh
Discretized problem min ๐ผ (๐ฆ, ๐ฃโ, โ๐ฃโ, ๐โโ๐ฃโ, ๐โ)๐๐ฆ
ฮฉ
0 โค ๐โ โค 1, ๐โ๐๐ฆ
ฮฉ
โค ๐๐, ๐โ โ ๐ง ๐โ a.e. in ฮฉ ๐ฃโ โ ๐
โ, ๐โโ๐ฃโ โ โ๐คโ๐๐ฆ = ฮฉ
๐๐คโ ๐๐ฆ,
ฮฉ
โ๐คโ โ ๐
โ
๐โ, ๐โ constants in the elements ๐
๐,โ
Assumptions on ๐
โ
i) lim
โโ0 min ๐คโโ๐โ
๐ค โ ๐คโ ๐ผ0
1(ฮฉ) = 0,
โ๐ค โ ๐ผ0
1 ฮฉ ,
ii) lim
โโ0 min ๐คโโ๐โ
๐ฅโ๐ โ ๐คโ ๐ผ0
1 ฮฉ = 0,
โ๐ฅโ โ ๐
โ bounded in ๐ผ0 1 ฮฉ , โ๐ โ ๐ท๐ โ ฮฉ
iii) lim
โโ0 ๐ผ ๐ฆ, ๐ฃโ, โ๐ฃโ, ๐โ, ๐โ ๐๐ฆ ฮฉ
โฅ ๐ผ(๐ฆ, ๐ฃ, โ๐ฃ, ๐, ๐)๐๐ฆ
ฮฉ
โ๐ฃโ โ ๐ฃ in ๐ผ0
1 ฮฉ , ๐ฃโ โ ๐ โ,
โ๐โ โ ๐ in ๐2 ฮฉ ๐ โ๐โ โ
โ ๐ in ๐โ ฮฉ ,
0 โค ๐โ โค 1 a.e. in ฮฉ lim
โโ0 max ๐คโโ๐โ
1 ๐คโ ๐ผ0
1 ฮฉ
๐โ โ ๐ โ โ๐คโ๐๐ฆ
ฮฉ
= 0.
Properties i), ii), iii) are satisfied for
๏จ ๏ฉ.
1 0 ๏
๏ฝ H Vh
If
h
V is a usual space of finite elements, it satisfies i), ii).
In the examples where we know H, every sequence
h
V satisfies iii).
Theorem: The discrete problem has a solution ๏จ
๏ฉ
h h h M
u ๏ฑ , ,
Up to a subsequence ๐ฃโ โ ๐ฃ in ๐ผ0
1 ฮฉ
๐โโ๐ฃโ โ ๐โ๐ฃ in ๐2 ฮฉ ๐ ๐โ โ
โ ๐ in ๐โ ฮฉ
๏จ ๏ฉ ๏จ ๏ฉ ๏จ ๏ฉ ๏จ ๏ฉ
. , , , , , , , , lim , a.e. ) ( , 1
- n
, in div , , , , inf
- f
solution ) , (
๏ฒ ๏ฒ ๏ฒ ๏ฒ
๏ ๏ ๏ฎ ๏ ๏
๏ ๏ ๏ฝ ๏ ๏ ๏ฏ ๏ฏ ๏ฎ ๏ฏ ๏ฏ ๏ญ ๏ฌ ๏ฃ ๏ ๏ฃ ๏ฃ ๏ ๏ถ ๏ฝ ๏ ๏ฝ ๏ ๏ญ ๏ ๏ dx u M u u x H dx u M u u x H dx K M u f u M dx u M u u x H u,M
h h h h h h
๏ฑ ๏ฑ ๏ญ ๏ฑ ๏ฑ ๏ฑ ๏ฑ ๏ฑ
Example 1: ๐ผ ๐ฆ, ๐ก, ๐, ๐ต๐, 1 = ๐บ
1 ๐ฆ, ๐ก, ๐ ,
๐ผ ๐ฆ, ๐ก, ๐, ๐ถ๐, 0 = ๐บ
2 ๐ฆ, ๐ก, ๐
๐ผ ๐ฆ, ๐ก, ๐, ๐, ๐ = +โ otherwise. In this case, we are solving a discrete version of the original (unrelaxed) problem, i.e. inf ๐บ
1 ๐ฆ, ๐ฃโ, โ๐ฃโ ๐๐ฆ ๐
+ ๐บ
2 ๐ฆ, ๐ฃโ, โ๐ฃโ ๐๐ฆ ฮฉ\๐
๐ฃโ โ ๐
โ
๐ฝ๐๐โ + ๐พ๐ฮฉ\๐โ โ๐ฃโ
ฮฉ
โ โ๐คโ๐๐ฆ = ๐๐คโ
ฮฉ
๐๐ฆ, โ๐คโ โ ๐
โ
๐โ a union of elements of ๐ฐ
โ,
๐โ โค ๐.
Example 2: (๐ โฅ 2) Since we know the values of ๐ผ in the boundary of its domain, we can take ๐ผ ๐ฆ, ๐ก, ๐, ๐, ๐ = ๐๐บ
1 ๐ฆ, ๐ก, ๐พ๐ โ ๐
๐ ๐พ โ ๐ฝ + (1 โ ๐)๐บ
2 ๐ฆ, ๐ก,
๐ โ ๐ฝ๐ (1 โ ๐) ๐พ โ ๐ฝ if ๐ โ ๐๐ง(๐)๐ ๐ผ ๐ฆ, ๐ก, ๐, ๐, ๐ = +โ elsewhere. Clearly, when we know the function ๐ผ we can just take ๐ผ = ๐ผ.
A lower approximation of ๐ผ
We consider ๐ผ ๐ฆ, ๐ก, ๐, ๐, ๐ with ๐ผ ๐ฆ, ๐ก, ๐, ๐, ๐ โค ๐ผ ๐ฆ, ๐ก, ๐, ๐, ๐ For h>0, consider ๐ฐ
โ = ๐๐,โ ๐=1 ๐โ as above and closed subspaces
๐
โ โ ๐ผ0 1 ฮฉ satisfying properties i) and ii) as above and
lim
โโ0 ๐ผ ๐ฆ, ๐ฃโ, โ๐ฃโ, ๐โ, ๐โ ๐๐ฆ ฮฉ
โฅ ๐ผ(๐ฆ, ๐ฃ, โ๐ฃ, ๐, ๐)๐๐ฆ
ฮฉ
โ๐ฃโ โ ๐ฃ in ๐ผ0
1 ฮฉ , ๐ฃโ โ ๐ โ,
โ๐โ โ ๐ in ๐2 ฮฉ ๐ โ๐โ โ
โ ๐ in ๐โ ฮฉ ,
0 โค ๐โ โค 1 a.e. in ฮฉ lim
โโ0 max ๐คโโ๐โ
1 ๐คโ ๐ผ0
1 ฮฉ
๐โ โ ๐ โ โ๐คโ๐๐ฆ
ฮฉ
= 0.
Discretized problem โญ = co ๐, ๐ : ๐ โ ๐ง(๐) min ๐ผ(๐ฆ, ๐ฃโ,
ฮฉ
โ๐ฃโ, ๐โโ๐ฃโ, ๐โ)๐๐ฆ 0 โค ๐โ โค 1, ๐โ๐๐ฆ
ฮฉ
โค ๐๐, ๐โ, ๐โ โ โญ a.e. in ฮฉ ๐ฃโ โ ๐โ, ๐โโ๐ฃโ โ โ๐คโ๐๐ฆ = ๐๐คโ ๐๐ฆ, โ
ฮฉ ฮฉ
๐คโ โ ๐โ ๐โ, ๐โ constants in the elements ๐
๐,โ
Theorem: The discrete problem has a solution ๏จ
๏ฉ
h h h M
u ๏ฑ , ,
Up to a subsequence ๐ฃโ โ ๐ฃ ๐๐ ๐ผ0
1 ฮฉ
๐โโ๐ฃโ โ ๐โ๐ฃ ๐๐ ๐2 ฮฉ ๐ ๐โ โ
โ ๐ ๐๐ ๐โ ฮฉ
๏จ ๏ฉ ๏จ ๏ฉ ๏จ ๏ฉ ๏จ ๏ฉ
๏ฒ ๏ฒ ๏ฒ ๏ฒ
๏ ๏ ๏ฎ ๏ ๏
๏ ๏ ๏ฝ ๏ ๏ ๏ฏ ๏ฏ ๏ฎ ๏ฏ ๏ฏ ๏ญ ๏ฌ ๏ฃ ๏ ๏ฃ ๏ฃ ๏ ๏ถ ๏ฝ ๏ ๏ฝ ๏ ๏ญ ๏ ๏ dx u M u u x H dx u M u u x H dx K M u f u M dx u M u u x H M u
h h h h h h
๏ฑ ๏ฑ ๏ญ ๏ฑ ๏ฑ ๏ฑ ๏ฑ ๏ฑ , , , , , , , , lim , a.e. ) ( , 1
- n
, in div , , , , inf
- f
solution ) , , (
Remark: Looking for the optimality conditions, we hope that the solution ๐ฃ , ๐ , ๐ satisfies ๐ โ๐ฃ โ ๐๐ง ๐ โ๐ฃ a.e. in ฮฉ. Thus, we need to take ๐ผ satisfying ๐ผ ๐ฆ, ๐ก, ๐, ๐, ๐ = ๐ผ ๐ฆ, ๐ก, ๐, ๐, ๐ if ๐ โ ๐๐ง ๐ ๐. Example: If ๐บ
1 ๐ฆ, ๐ก, ๐ , ๐บ 2 ๐ฆ, ๐ก, ๐ are convex in ๐ take
๐ผ ๐ฆ, ๐ก, ๐, ๐, ๐ = ๐ผ ๐ฆ, ๐ก, ๐, ๐, ๐ = ๐๐บ ๐ฆ, ๐ก, ๐พ๐ โ ๐ ๐ ๐พ โ ๐ฝ + (1 โ ๐)๐บ ๐ฆ, ๐ก, ๐ โ ๐ฝ๐ (1 โ ๐) ๐พ โ ๐ฝ
We have shown that we can solve numerically the control problem discretizing the unrelaxed or the relaxed problem. What is better?
- J. CD, C. Castro, M. Luna-Laynez, E. Zuazua consider the case ๐ = 1.
Control problem (CP) ๐บ
1, ๐บ 2 โ ๐1,โ
inf ๐บ
1 ๐ฆ, ๐ฃ, ๐๐ฃ
๐๐ฆ ๐๐ฆ
๐
+ ๐บ
2 ๐ฆ, ๐ฃ, ๐๐ฃ
๐๐ฆ ๐๐ฆ
(0,1)\๐
โ ๐ ๐๐ฆ ๐ฝ๐๐ + ๐พ๐(0,1)\๐ ๐๐ฃ ๐๐ฆ = ๐ in (0,1) ๐ฃ 0 = ๐ฃ(1) = 0 ๐ โค ๐ Relaxed formulation (RCP) min ๐๐บ
1 ๐ฆ, ๐ฃ, ๐(๐)
๐ฝ ๐๐ฃ ๐๐ฆ + (1 โ ๐)๐บ
2 ๐ฆ, ๐ฃ, ๐(๐)
๐พ ๐๐ฃ ๐๐ฆ ๐๐ฆ
1
โ ๐ ๐๐ฆ ๐(๐) ๐๐ฃ ๐๐ฆ = ๐ in (0,1) ๐ฃ 0 = ๐ฃ(1) = 0 ๐
1
๐๐ฆ โค ๐.
Discretization
We take a partition ๐ฌ
๐ and refinement ๐ญโ of respective diameters ๐ and โ
๐
โ = ๐ฃ โ ๐ท0 0 0,1 : ๐ฃ is affine in each interval of ๐ญโ
We consider the discretized problems ๐ธ๐ท๐ min
๐บ1 ๐ฆ, ๐ฃ, ๐๐ฃ ๐๐ฆ ๐๐ฆ
๐
+ ๐บ1 ๐ฆ, ๐ฃ, ๐๐ฃ ๐๐ฆ ๐๐ฆ
(0,1)\๐
๐ฃ โ ๐โ
๐ฝ๐๐ + ๐พ๐(0,1)\๐ ๐๐ฃ
๐๐ฆ
1
๐๐ค ๐๐ฆ ๐๐ฆ = ๐ ๐ค๐๐ฆ, โ๐ค โ ๐โ
1
๐ is a union of intervals of ๐ฌ
๐ ,
๐ โค ๐.
(๐ธ๐๐) min ๐๐บ
1 ๐ฆ, ๐ฃ, ๐ ๐
๐ฝ ๐๐ฃ ๐๐ฆ + 1 โ ๐ ๐บ
2 ๐ฆ, ๐ฃ, ๐ ๐
๐พ ๐๐ฃ ๐๐ฆ ๐๐ฆ
๐
๐ฃ โ ๐
โ
๐ ๐ ๐๐ฃ ๐๐ฆ
1
๐๐ค ๐๐ฆ ๐๐ฆ = ๐ ๐ค๐๐ฆ, โ๐ค โ ๐
โ 1
๐ is constant in the intervals of ๐ฌ
๐ , ๐๐๐ฆ 1
โค ๐
- Theorem. Taking ๐ = โ and ๐ โ ๐1,๐(0,1) we have
min ๐๐ท๐ โ min(๐ธ๐ท๐) โค ๐โ
๐+1 ๐+2.