SUR LA STABILISATION D`UN COUPLAGE ONDES–ADVECTION I

PORTUGALIAE MATHEMATICA
Vol. 54 Fasc. 3 – 1997
SUR LA STABILISATION D’UN COUPLAGE
ONDES–ADVECTION
F. Ammar Khodja, A. Benabdallah et D. Teniou
Presented by Hugo Beir˜ao da Veiga
I – Preliminaires
On ´etudie le comportement d’un couplage “ondes–advection”. On montre
que mˆeme si l’´equation des ondes n’est pas initialement amortie, ce couplage est
dans certains cas asymptotiquement stable. Ce syst`eme est par contre exponen-
tiellement stable si l’´equation des ondes est amortie et une estimation du taux
de d´ecroissance est propos´ee. Cet exemple ne rentre pas dans le cadre ´etudi´e
dans [A-B-T] du fait du caract`ere non autoadjoint de l’op´erateur d’advection
(noter aussi que cet op´erateur n’est pas de r´esolvante compacte en dimension
sup´erieure `a un). Le comportement asymptotique est cependant similaire `a celui
d’un couplage “ondes–chaleur” par un op´erateur born´e (voir [A-B]).
Soit Ω un ouvert born´e simplement connexe de Rnde fronti`ere lipschitzienne,
C2par morceaux. Soit dun champ de vecteurs d´efini dans un voisinage de Ω
`a valeurs dans Rnet de classe C1. On note Γ la fronti`ere de Ω, νla normale
unitaire ext´erieure `a Ω. On d´efinit
Γ+=nxΓ; d(x)(x)>0o
Γ=nxΓ; d(x)(x)<0o
Γ0=nxΓ; d(x)(x) = 0o.
Dans ce qui suit on fait l’hypoth`ese (H) suivante:
i) div d0;
Received : June 22, 1996.
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ii)T > 0 tel que zΩ, x0Γ+et s(0, T ) tels que la solution de
dx
dt =d(x)
x(0) = x0
v´erifie x(s) = z.
Remarque. L’ypoth`ese (H) est trivialement v´erifi´ee si dest un champ
constant.
On consid`ere le syst`eme
(1)
utt = ∆ua ut+b w dans ×R+,
wt=d.wb utdans ×R+,
u= 0 sur Γ ×R+,
w= 0 sur Γ+×R+,
u(x, 0) = u0(x), ut(x, 0) = u1(x), w(x, 0) = w0(x) dans Ω ,
o`u aL(Ω) avec a0 p.p. dans Ω, bW1,(Ω). Dans toute la suite on
posera
X=H1
0(Ω) ×L2(Ω) ×L2(Ω)
que l’on munit du produit scalaire
*
u
v
w
,
f
g
h
+=Z
(u.f+v.g +w.h)dx .
k · k esigne la norme induite sur Xet | · | la norme dans L2(Ω). On d´efinit sur
Xl’op´erateur
A=
0I0
a b
0b d.
de domaine
D(A) = ³H2(Ω) H1
0(Ω)´×H1
0(Ω) ×W(Ω)
o`u
W(Ω) = nwL2(Ω); d.wL2(Ω) et w= 0 sur Γ+o.
D’apr´es [Ba], si wL2(Ω) et d.wL2(Ω) alors la trace w|Γ+est bien d´efinie
dans L2
loc+) et ainsi W(Ω) est bien d´efini. Il n’est pas difficile de voir que
(A, D(A)) est maximal monotone. Il d´efinit donc un semi-groupe (S(t))t0, de
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contractions sur X. D’apr´es le th´eor`eme de Hille–Yosida, pour tout (u0, v0, w0)
D(A), le syst`eme
(2)
Y0(t) = A Y (t),
Y(0) = Y0=
u0
v0
w0
,
admet une unique solution YC([0,+[, D(A))C1([0,+[, X). De plus pour
tout (u0, v0, w0)X(2) admet une unique solution faible Ydans C([0,+[, X)
(voir [P]). On a le r´esultat de r´egularit´e suivant:
Proposition 1. Pour tout Y0X, la solution Y=S(t)Y0du syt`eme (2)
est telle que d.ν w L2(R+×Γ)
avec
(3) |d.ν w|2
L2(R+,Γ)≤ kY0k2.
Preuve: Si Y0D(A), alors
d
dtkY(t)k2= 2·−|a v|2+1
2ZΓ|w|2()1
2|div d w|2¸
ainsi
kY0k2−kY(t)k2= 2·Zt
0|a v|2ds+1
2Zt
0ZΓ|w|2()dγ ds+1
2Zt
0|div d w|2ds¸,
d’o`u (3) pour Y0D(A). Par densit´e, on a le r´esultat pour Y0X.
II – Stabilit´e
Le syst`eme (2), avec Aen´erateur infinit´esimal d’un semi-groupe de contrac-
tions, est dit exponentiellement stable s’il existe deux constantes ω > 0 et M1
telles que
(4) kS(t)k ≤ M eωt t0.
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Remarque. La propri´et´e (4) ´equivaut `a l’existence d’un op´erateur Punique
L(X) positif et auto-adjoint tel que
(5) RehP AY, Y i=−kYk2YD(A)
(voir [P-Z] ou [Z]).
L’hypoth`ese (H) fait que l’op´erateur (d., W (Ω)) est g´en´erateur d’un semi-
groupe exponentiellement stable. On va expliciter l’op´erateur Pdans ce cas
particulier.
Proposition 2. La solution de l’´equation de Lyapunov (5) associ´ee `a
l’op´erateur (d., W (Ω)) est l’unique op´erateur PL(L2(Ω)), autoadjoint, posi-
tif, d´efini par
(P w)(x) = k(x)w(x), x , w L2(Ω) ,
o`u kW(Ω),
W(Ω) = nkL2(Ω); d.kL2(Ω), k|Γ= 0o
est l’unique solution du probl`eme
(6) (div(kd) = 1 dans ,
k= 0 sur Γ.
De plus kest positif sur .
Preuve: On remarque d’abord que le domaine de l’op´erateur adjoint de
(d.w, W (Ω)) est W(Ω). Les hypoth`eses faites sur dfont que 0 appartient `a la
r´esolvante de (d.w, W (Ω)) donc `a la r´esolvante de son adjoint, d’o`u l’existence
et l’unicit´e de kW(Ω) solution de (6). La positivit´e de kest une cons´equence
directe du fait que sur chaque trajectoire (x(t)) issue de Γla solution ka comme
expression
k(x(t)) = eRt
0(div d(x(τ))) Zt
0
eRs
0(div d(x(τ))) ds .
Comme ces trajectoires couvrent Ω, kest positif sur Ω.
D’autre part
2hP d.w, wiL2(Ω) = 2 Z
k(d.w)w dx =Z
div(kd)w2dx =−|w|2.
D’o`u la proposition.
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Remarque. Dans le cas unidimensionnel, l’´equation (6) donne
k(x)d(x) = x+c .
Comme d0(x)0, deux cas se pr´esentent:
i)d(0) d(1) >0. Alors:
si d(0) >0. On a Γ={0}et donc k(0) = 0. Ce qui donne
k(x) = x
d(x);
– si d(0) <0. Dans ce cas d(1) <0, donc Γ={1}et k(1) = 0. Ce qui
implique
k(x) = x1
d(x).
ii)d(0) d(1) <0. Cette condition avec l’hypoth`ese que d0est non n´egative
impose que d(0) <0 et d(1) >0. Ceci entraine que Γest vide, ce qui
est contraire `a l’hypoth`ese (H). On remarquera que dans ce cas, la norme
L2(Ω) de la solution de l’´equation d’avection
(wt=d.w
wW
est conserv´ee.
Dans la suite, Pd´esignera l’op´erateur d´efini par la Proposition 2.
Le r´esultat principal est le suivant:
Th´eor`eme 3.
1)S’il existe a0>0tel que aa0, il existe ω > 0et M1tels que
kS(t)k ≤ Meωt t0.
2)Si div d0p.p. sur et si supp(a)supp(b)est d’inerieur non vide, alors
(S(t))t0est asymptotiquement stable: pour tout Y0X,
lim
t+kS(t)Y0k= 0 .
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