1.4 Organisation du manuscrit
2.1.2 Hypoth`eses pour assurer le caract`ere bien pos´e
o`u on a pos´e L(@) := @t+ d X j=1 Aj@j,
avec pour tout 1 j d, Aj 2 MN⇥N(R), B 2 Mp⇥N(R) (la valeur de p sera rendue explicite au
sous-paragraphe 2.1.2) et o`u l’inconnue u" est `a valeurs dansCN. La forme des termes sources f", g" sera d´etermin´ee ci-dessous (plus pr´ecis´ement au sous-paragraphe 2.1.2).
2.1.2 Hypoth`eses pour assurer le caract`ere bien pos´e.
Comme indiqu´e dans l’introduction, le cadre d’´etude est celui d’un syst`eme hyperbolique `a multi- plicit´e constante `a bord non caract´eristique pour lequel la condition de Kreiss-Lopatinskii faible est v´erifi´ee. Mais on supposera que la condition de Kreiss-Lopatinskii uniforme d´eg´en`ere dans la zone elliptique, ou bien, dans une zone o`u co-existent des modes elliptiques et des modes hyperboliques. Hypoth`eses sur l’´equation d’´evolution.
Avant toute chose, il faut s’assurer que le probl`eme aux limites (2.1) est bien hyperbolique dans un certain sens. Dans la suite de ce chapitre, on consid`erera un syst`eme hyperbolique `a multiplicit´e constante c’est-`a-dire que l’on suppose que l’hypoth`ese suivante est v´erifi´ee.
Hypoth`ese 2.1.1 Il existe un entier positif M , des fonctions analytiques sur Rd\ {0} not´ees 1, ..., M `a valeurs r´eelles ainsi que des entiers positifs ⌫1, ..., ⌫M tels que :
8⇠ 2 Sd 1, det 0 @⌧ + d X j=1 ⇠jAj 1 A = M Y k=1 (⌧ + k(⇠))⌫k,
On restreindra de plus l’´etude aux syst`emes `a bord non caract´eristique ; c’est pourquoi on fait l’hypoth`ese suivante :
Hypoth`ese 2.1.2 La matrice Ad est inversible.
De la forme du sous-espace stable.
On suppose v´erifi´ee l’hypoth`ese classique selon laquelle B2 Mp⇥N(R) est de rang maximal p, o`u p
est le nombre de valeurs propres positives de Ad.
On introduit la partition suivante de l’espace des fr´equences :
⌅ := n⇣ = ( = + i⌧, ⌘)2 C ⇥ Rd 1, 0o\ {0} , ⌅0 := ⌅\ { = 0} .
La matrice r´esolvante associ´ee au probl`eme aux limites (2.1) est obtenue apr`es transform´ee de Fourier en espace tangentiel et transform´ee de Laplace en temps dans l’´equation d’´evolution de (2.1). Elle s’´ecrit sous la forme :
A(⇣) = Ad1 0 @ I + i d 1 X j=1 ⌘jAj 1 A . (2.2)
On note E (⇣) le sous-espace stable et E+(⇣) le sous-espace instable associ´e `a la matrice A(⇣). Le
lemme suivant d´ecrit la structure du sous-espace stable lorsque la partie r´eelle de reste strictement positive.
Lemme 2.1.1 (Hersh) [Her63] Pour tout ⇣ 2 ⌅ \ ⌅0, la matrice r´esolvante (2.2) n’admet pas
de valeur propre imaginaire pure. De plus, le sous-espace stable E (⇣) est de dimension p. Le sous-espace instable E+(⇣) est lui de dimension N p.
Cependant dans le cas o`u ⇣ 2 ⌅0, le lemme pr´ec´edent n’est plus suffisant pour d´ecrire la forme
de la matriceA(⇣). On a besoin d’un autre r´esultat. Ce dernier est initialement dˆu `a Kreiss [Kre70] puis a ´et´e g´en´eralis´e par M´etivier aux syst`emes hyperboliques `a multiplicit´e constante [M´et00]. Th´eor`eme 2.1.1 [Structure par blocs] Si le probl`eme aux limites (2.1) v´erifie les hypoth`eses 2.1.1 et 2.1.2, alors pour tout ⇣ 2 ⌅ il existe un voisinage V de ⇣ dans ⌅, un entier positif L, des entiers positifs %1, ..., %L v´erifiant N = %1+ ... + %L et enfin une matrice T inversible et r´eguli`ere sur V tels
que :
8⇣ 2 V, T (⇣) 1A(⇣)T (⇣) = diag(A1(⇣), ...,AL(⇣)),
o`u les Aj(⇣) sont des matrices de taille %j satisfaisant l’une des alternatives suivantes :
i) Tous les ´el´ements dans le spectre deAj(⇣) ont une partie r´eelle strictement n´egative.
ii) Tous les ´el´ements dans le spectre de Aj(⇣) ont une partie r´eelle strictement positive.
iii) %j = 1, Aj(⇣)2 iR et
@ Aj(⇣)2 R \ {0}.
iv) %j > 1, il existe kj 2 iR tel que la matrice Aj(⇣) s’´ecrive sous la forme :
Aj(⇣) = 2 6 4 kj i 0 . .. i 0 kj 3 7 5 , o`u le coefficient en bas `a gauche de @ Aj(⇣) est un r´eel non nul.
Ce th´eor`eme permet de d´ecrire les quatre formes de la matrice r´esolvante (2.2) qui peuvent se produire en une fr´equence de ⌅0. En e↵et, on remarque pour cela qu’´etant donn´e que les valeurs
propres de partie r´eelle non nulle sont conjugu´ees alors s’il existe un bloc de type i) (resp. ii)) dans la d´ecomposition donn´ee dans le th´eor`eme 2.1.1, alors n´ecessairement il existe aussi un bloc de type ii) (resp. i)). Les deux blocs consid´er´es sont alors de mˆeme taille.
D´efinition 2.1.1 On note :
• E l’ensemble des fr´equences elliptiques, c’est-`a-dire l’ensemble des ⇣ 2 ⌅0telles que le th´eor`eme
2.1.1 soit v´erifi´e avec un bloc de type i) et un bloc de type ii) uniquement.
• H l’ensemble des fr´equences hyperboliques, c’est-`a-dire l’ensemble des ⇣ 2 ⌅0 telles que le
th´eor`eme 2.1.1 soit v´erifi´e avec des blocs de type iii) uniquement.
• EH l’ensemble des fr´equences elliptico-hyperboliques, c’est-`a-dire l’ensemble des ⇣ 2 ⌅0 telles
que le th´eor`eme 2.1.1 soit v´erifi´e avec un bloc de type i), un bloc de type ii) et au moins un bloc de type iii) mais aucun bloc de type iv) .
• G l’ensemble des fr´equences de ”glancing”, c’est-`a-dire l’ensemble des ⇣ 2 ⌅0 telles que le
th´eor`eme 2.1.1 soit v´erifi´e avec au moins un bloc de type iv). Avec ces d´efinitions on a la d´ecomposition de ⌅0 suivante :
⌅0 =E [ EH [ H [ G.
Dans la suite de ce chapitre, comme indiqu´e dans l’introduction, on se concentrera sur les fr´equences appartenant aux ensemblesE et EH. Ainsi dans les deux cas il existera toujours un bloc de type i) et un bloc de type ii) dans la d´ecomposition de la matrice r´esolvante A(⇣).
Remarque Une condition n´ecessaire pour l’existence d’une fr´equence elliptique est que le nombre d’´equations du syst`eme (2.1) N , soit pair. En e↵et, pour une telle fr´equence il n’y a qu’un bloc de type i) et un bloc de type ii) et ces deux blocs sont de mˆeme taille.
Le th´eor`eme 2.1.1 a une autre cons´equence importante. Grˆace `a lui, on peut prolonger les sous-espaces E±(⇣) par continuit´e aux fr´equences de ⌅0 (voir [Kre70]-[M´et00]). De plus, si on fixe
⇣ 2 ⌅0\ G on a les d´ecompositions suivantes :
CN = E (⇣) E
+(⇣), (2.3)
et
E±(⇣) = E±e(⇣) E±h(⇣), (2.4)
o`u Ee(⇣) (resp. E+e(⇣)) est le sous-espace propre g´en´eralis´e associ´e aux valeurs propres de A(⇣) de partie r´eelle strictement n´egative (resp. positive), et o`u les espaces E±h(⇣) sont des sommes de sous-espace propres associ´es `a certaines valeurs propres imaginaires pures de la matrice A(⇣). Plus pr´ecis´ement, sous les mˆemes notations qu’au th´eor`eme 2.1.1, aux valeurs propres deA(⇣) telles que @ Aj(⇣) < 0.
La structure des sous-espaces Eh(⇣) peut aussi ˆetre rendue explicite. En e↵et, soit i!m une valeur propre imaginaire pure de A(⇣) avec ⇣ = (i⌧, ⌘), alors i!m v´erifie la relation de dispersion :
det(⌧ I + A(⌘, !m)) = 0.
Par cons´equent puisque l’op´erateur L(@) est hyperbolique `a multiplicit´e constante (cf. hypoth`ese 2.1.1), il existe un indice km tel que
⌧ + km ⌘, !m = 0, (2.5)
o`u la valeur propre km(⌘, !m) est r´eguli`ere par rapport aux variables ⌘ et !m. L’´equation (2.5)
D´efinition 2.1.2 On d´efinit l’ensemble des indices entrants, not´e I (pour ”incoming”), comme suit ; m2 I si pour km d´efinie en (2.5) on a
@⌘d km(⌘, !m) > 0.
On d´efinit de mˆeme l’ensemble des indices sortants, not´e O (pour ”outcoming”), comme suit ; m2 O si km v´erifie
@⌘d km(⌘, !m) < 0.
Enfin, on appelle vm :=r km(⌘, !m) la vitesse de groupe associ´ee `a la phase
'm(t, x) := ⌧ t + ⌘· x0+ !mxd.
Cette d´efinition permet de donner la d´ecomposition du sous-espace stable hyperbolique suivante : Lemme 2.1.2 Pour tout ⇣ 2 (EH [ H), on a :
Eh(⇣) = m2IkerL(⌧, ⌘, !m), et Eh+(⇣) = m2OkerL(⌧, ⌘, !m),
o`u pour tout ⇠2 Rd, L(⇠0, ..., ⇠d) := ⇠0I + d X j=1 ⇠jAj.
On renvoie `a [CG10] pour une preuve de ce lemme.
On termine ce paragraphe en introduisant des projecteurs qui rendront service par la suite. D´efinition 2.1.3 Soit ⇣2 E[EH[H. Dans les d´ecompositions (2.3) et (2.4), on pose ⇧±e(⇣) := ⇧±e le projecteur sur E±e(⇣) et ⇧m(⇣) := ⇧m le projecteur sur kerL(⇣, !m). De plus, on introduit
Rm(⇣) := Rm le pseudo-inverse de L(⇣, !m) v´erifiant :
⇢
RmL(⇣, !m) = I ⇧m,
⇧mRm= 0.
Hypoth`eses sur la condition de bord.
On commence par ´enoncer la condition dite de Kreiss-Lopatinskii (ou condition de Kreiss-Loatinskii faible) qui, on le rappelle, est n´ecessaire pour assurer le caract`ere bien pos´e du probl`eme aux limites (2.1):
D´efinition 2.1.4 La condition de Kreiss-Lopatinskii faible est v´erifi´ee si : 8⇣ 2 (⌅ \ ⌅0) , ker B\ E (⇣) = {0} .
Comme indiqu´e dans l’introduction on s’int´eresse ici `a des probl`emes aux limites pour lesquels la condition de Kreiss-Lopatinskii uniforme n’est pas v´erifi´ee. Cette violation de la condition de Kreiss- Lopatinskii uniforme peut se produire selon l’une des deux fa¸cons distinctes d´ecrites ci-dessous.
Dans le cas d’un d´efaut de la condition de Kreiss-Lopatinskii uniforme dans la zone elliptique, on suppose que les conditions suivantes sont v´erifi´ees :
Hypoth`ese 2.1.3 1) La condition de Kreiss-Lopatinskii faible est v´erifi´ee.
2) Soit une fr´equence ⇣2 ⌅0 telle que ker B\ E (⇣) 6= {0} alors ⇣ 2 E. Et de telles fr´equences
⇣ existent.
3) Soit ⇣ 2 E telle que ker B \ E (⇣) 6= {0} alors, il existe un voisinage V de ⇣ dans ⌅, une base (E1, ..., Ep)(⇣) de E (⇣) r´eguli`ere sur V, une matrice inversible de taille p, not´ee P (⇣), r´eguli`ere
sur V et enfin une fonction ✓ r´eguli`ere sur V `a valeurs r´eelles tels que la propri´et´e suivante soit v´erifi´ee :
8⇣ 2 V, B [E1, ..., Ep] (⇣) = P (⇣)diag( + i✓(⇣), 1, ..., 1).
Dans le cas o`u la condition de Kreiss-Lopatinskii uniforme n’est pas v´erifi´ee dans la zone elliptico- hyperbolique les conditions qui doivent ˆetre v´erifi´ees sont assez semblables `a celles du cas pr´ec´edent. En e↵et, on suppose alors :
Hypoth`ese 2.1.4 1) La condition de Kreiss-Lopatinskii faible est v´erifi´ee.
2) Soit ⇣ 2 ⌅0 telle que ker B\ E (⇣) 6= {0} alors ⇣ 2 EH. Et de telles fr´equences ⇣ existent.
3) Soit ⇣ 2 EH telle que ker B \ E (⇣) 6= {0} alors : ⇧ E (⇣) \ ker B = Ee(⇣)\ ker B.
⇧ Il existe un voisinage V de ⇣ dans ⌅, une base (Ee
1, ..., Ep re )(⇣) de Ee(⇣) r´eguli`ere dansV, une
base (Eh
1, ..., Erh)(⇣) de Eh(⇣) r´eguli`ere dans V, une matrice inversible de taille p, P (⇣) r´eguli`ere
sur V et enfin une fonction ✓ r´eguli`ere sur V `a valeurs r´eelles tels que la propri´et´e suivante soit v´erifi´ee :
8⇣ 2 V, BhE1e, ..., Ep re , E1h, ..., Erhi(⇣) = P (⇣)diag( + i✓(⇣), 1, ..., 1).
Remarque L’hypoth`ese 2.1.3 revient `a imposer comme dans [ST88] qu’un d´eterminant de Lopatin- skii s’annule au premier ordre pour les points elliptiques.
Les hypoth`eses 2.1.3 et 2.1.4 correspondent `a des situations o`u la condition de Kreiss-Lopatinskii uniforme d´eg´en`ere `a cause d’ondes de surface qui ont une d´ecroissance exponentielle par rapport `a la variable normale xd.
Un exemple classique de probl`eme aux limites hyperbolique satisfaisant la condition 2.1.3 est celui donnant lieu aux ondes de Rayleigh pour les ´equations de l’´elastodynamique. Lorsque la condition de Kreiss-Lopatinskii uniforme d´eg´en`ere dans la zone elliptique, on voit apparaitre des ondes localis´ees sur le bord du domaine.
Un exemple physique de syst`eme hyperbolique qui v´erifie la condition 2.1.4 est le mod`ele de transition de phase liquide-vapeur ´etudi´e en particulier dans [BG98] puis dans [Cou02]. Dans le sous-paragraphe 2.5.3 de ce chapitre, on donnera un autre exemple de syst`eme v´erifiant la condition 2.1.4 provenant de la lin´earisation des ´equations d’Euler dans un domaine fix´e.
Dans la suite de cette ´etude, il sera tr`es utile d’avoir des notations d´ecrivant comment la condition de Kreiss-Lopatinskii uniforme d´eg´en`ere d’un point de vue vectoriel. On d´efinit donc :
D´efinition 2.1.5 Sous l’une des hypoth`eses 2.1.3 , 2.1.4 on peut trouver : • un vecteur e 2 CN \ {0}, tel que E (⇣) \ ker B = Ee(⇣)\ ker B = vect(e).
• Un vecteur b 2 Cp\ {0} tel que b · Bw = 0, pour tout w 2 E (⇣), o`u · d´esigne le produit
scalaire hermitien sur Cp.
Enfin le th´eor`eme de la base incompl`ete permet d’´ecrire :
• E (⇣) = vect(e) E (⇣). Par construction B est un isomorphisme de ˘˘ E (⇣) sur b?, au sens du produit scalaire hermitien.
Espace des profils. On consid`ere la phase
'(t, x0) = ⌧ t + ⌘· x0, (2.6)
o`u (⌧ , ⌘) est une fr´equence v´erifiant l’hypoth`ese 2.1.4.
On utilisera ici les mˆemes espaces de profils que dans [Les07] dont on rappelle la d´efinition. D´efinition 2.1.6 • On note Pos l’ensemble des profils oscillants i.e. l’ensemble des fonctions u de
la forme : u(t, x, Xd) = q X m=1 ei!mXdu m(t, x),
o`u les um sont de r´egularit´e H1(⌦T) et o`u les !m d´esignent les q valeurs propres imaginaires pures
de la matrice A1(⇣).
• On consid`ere l’ensemble des fonctions U(t, x, Xd) de r´egularit´e H+1(⌦T⇥R+) pour lesquelles
il existe de plus un r´eel strictement positif tel que e XdU (t, x, X
d) soit de r´egularit´e H+1(⌦T⇥R+).
Cet ensemble sera not´e Pev et d´esignera l’ensemble des profils evanescents.
• L’ensemble des profils not´e P est d´efini par la relation P := Pos Pev.
Remarque Dans le cas d’une fr´equence ⇣ v´erifiant l’hypoth`ese 2.1.3, on a q = 0 donc l’espace des profils oscillants est vide. On pose donc dans ce cas : P := Pev.