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Présentation des problèmes d’optimisation dépendant de ✏ et limite

3.2.1 Hypothèses mathématiques

Soit T le temps maximal de l’étude,

0† T § `8. On rappelle que

E0 “ tq P L2p0, T ; L2p⌦qq; 0 § qpt, xq § ¯p presque partout dans ⌦ ˆ p0, T qu,

E “ tq P L2p0, T ; L2p⌦qq X W1,1p0, T ; Xq; 0 § qpt, xq § ¯p presque partout dans ⌦T, }↵Btq}L1p0,T ;Xq § Cpu $ ’ ’ & ’ ’ %

où X est tel que L2p⌦q s’injecte continûment dans X, Cp ° 0 est une constante donnée et ↵ P R est défini par ↵ “

#

0 si g “ gpt, x, pq tel que ✏p ` g est indépendant de p, 1 sinon.

On note bien sûr que E0 “ E lorsque ↵ “ 0. On pose enfin pour tout ✏ ° 0

E “ tq P L2p0, T ; L2p⌦qq X W1,1p0, T ; Xq; 0 § qpt, xq § ¯p presque partout dans ⌦T, }✏↵Btq}L1p0,T ;Xq § Cpu. Lorsque ✏ Ñ 0, l’ensemble E tend vers E0.

On reprend les mêmes hypothèses qu’au chapitre précédent, à savoir :

— l’opérateur Spvq est supposé donné par (1.2) avec ↵L• ↵T • 0. Notons que d’après la définition (1.2) du tenseur de dispersion, on a

Spvq⇠ ¨ ⇠ • pSm` ↵T |v|q |⇠|2

,|Spvq⇠| § pSm` ↵L|v|q |⇠| @⇠ P RN.

On suppose que Sm ° 0. On suppose qu’il existe des réels ´et `avec 0 † ´ § `

tels que le tenseur de perméabilité vérifie :

— on suppose que B⌦ est de classe C2 et qu’une des deux hypothèses suivantes est vérifiée (afin d’assurer v P L8p⌦Tq) :

P pC1p¯⌦qqNˆN et 1 P W2,pp¯⌦q avec p ° N,

“ ˚Id avec ˚ : ¯⌦Ñ R et ˚ P C1p¯⌦q et 1 P W2,pp¯⌦q avec p ° N 2 ;

— on suppose que la fonction x fiÑ rp✏, xq est dérivable à dérivée bornée sur r0, 1s et telle que rp✏, 0q “ 0, rp✏, 1q ` g • 0, et ce pour tout 0 † ✏ † ✏0 où ✏0 ° 0 ;

— posant pour tout 0 † ✏ † ✏0 et x P r0, 1{✏s, rpxq “ rp✏, ✏xq{✏, on suppose que r

converge simplement vers ˜r;

— on suppose que ˜r est concave, dérivable à dérivée bornée sur R`; — le facteur de retard est tel que R ° 0 ;

— la concentration initiale est c0 P L8p⌦q avec 0 § c0pxq § 1 presque partout dans ⌦;

— la fonction g appartient à L8p⌦Tq ;

— la fonction f est continue2, strictement concave et définie sur ⌦ ˆ r0, ¯ps ;

— pour presque tout x P ⌦, l’opérateur c P L2p⌦Tq fiÑ Dpx, cq P Mp⌦Tq est croissant, strictement convexe, hémicontinu et borné au sens où il existe h P L1p⌦Tq tel que |Dpx, cq| § hpt, xq presque partout dans ⌦T, pour tout c P L2p⌦Tq ;

— la porosité appartient à L8p⌦q et il existe ´ et ` des réels tels que 0† ´§ pxq § `, presque pour tout x P ⌦ ;

— dans le cas de conditions aux bords de type Dirichlet pour la concentration (c “ c1

sur B⌦ ˆ p0, T q, (1.11)), on supposera la régularité suivante pour c1 : c1 P H1p0, T ; L2p⌦q X L2p0, T ; W1,8p⌦qq si ↵T “ 0, c1 P H1p0, T ; L2p⌦q X L2p0, T ; W1,4p⌦qq si ↵T ° 0 ;

2. L’hypothèse de continuité de f par rapport à p peut être légèrement assouplie en supposant f semi-continue supérieurement et bornée par rapport à p, cf Remarque 1.2.1.

— dans le cas de conditions aux bords de type Neumann pour la charge hydraulique (´r ¨ n “ v1 sur B⌦ ˆ p0, T q, (1.12)), on supposera

v1 P L2pB⌦q.

Remarque 3.2.1 Explicitons l’hypothèse de convergence simple de r vers ˜r dans le cas simple où le terme de réaction issu du processus d’adimensionnement est rp✏, ✏ˆcpq “ rp✏ˆcpq, c’est-à-dire le cas où les paramètres caractéristiques de la réaction ne dépendent pas de ✏. Supposer l’existence de ˜r revient alors à supposer que r1p0q existe. Ce n’est donc pas une hypothèse supplémentaire. Notons qu’alors, pour ✏c au voisinage de 0, on peut écrire rp✏cq “ rp0q ` ✏cr1p0q ` ✏c⌘p✏cq avec lim✏c✏Ñ0⌘p✏cq “ 0, où rp0q “ 0 par hypothèse. Si cconverge de façon adéquate vers c, on a alors rpcq “ rp✏cq{✏ qui converge vers ˜rpcq “ r1p0qc. On est donc dans le cas où à la limite l’isotherme est linéaire. Mais en tenant compte d’une potentielle dépendance de r en ✏, i.e. rp✏, ✏ˆcpq, on doit envisager à la limite des isothermes variés.

3.2.2 Problème dépendant de ✏

Dans le problème d’optimisation dépendant de ✏, la fonctionnelle à optimiser dans E est celle introduite précédemment :

Jpp, c✏,p✏q “ ª R` ˆª fpx, pq ´ Dpx, c✏,p✏q dx ˙ e´⇢tdt.

L’équation d’état associée est le modèle d’équations aux dérivées partielles dépendant de ✏ régissant le problème hydrogéologique. Nous introduisons une définition de solution faible appropriée à cette "équation" en ✏.

Définition 3.2.1 Soit p P E0. L’équation d’état désigne le système

R Btpc✏,p✏q ´ divp Spv✏,p✏qrc✏,p✏q ` v✏,p✏ ¨ rc✏,p✏ “ ´rpc✏,p✏q ` pp1 ´ ✏c✏,p✏q ´ gc✏,p✏

(3.14) divpv✏,p✏q “ ✏p` g, v✏,p✏ “ ´r ✏,p✏, (3.15) dans ⌦ ˆ p0, T q, complété par les conditions initiales et aux bords

Spv✏,p✏qrc✏,p✏¨ n “ 0 sur B⌦ ˆ p0, T q, c✏,p✏|t“0 “ c0 dans ⌦ (3.16)

Un couple pc✏,p✏, ✏,p✏q, avec c✏,p✏ P L2p0, T ; H1p⌦qq et ✏,p✏ P L8p0, T ; H2p⌦qq, est solution faible de (3.14)-(3.17) au sens où pour toute fonction test ' P H1p0, T ; H1p⌦qq avec '|t“T “ 0, on a : ´ ª ⌦T R c✏,p✏Bt' dx dt´ ª R c0'|t“0dx` ª ⌦Tpv✏,p✏¨ rc✏,p✏q' dx dt ` ª ⌦T Spv✏,p✏qrc✏,p✏¨ r' dx dt “ ª ⌦T ´ ´rpc✏,p✏q ` pp1 ´ ✏c✏,p✏q ´ gc✏,p✏ ¯ ' dx dt, (3.18) ª ⌦T div v✏,p✏' dx dt“ ª ⌦Tp✏p` gq' dx dt, (3.19) et pour tout P L1p0, T ; H1 0p⌦qq, ª T v✏,p✏ ¨ r dx dt “ ª T´r ✏,p✏ ¨ r dx dt, (3.20) ✏,p✏1 sur B⌦ ˆ p0, T q. (3.21) Nous pouvons alors définir le sous-ensemble Ec de E contraint par l’équation d’état :

Ec “ tp P E;Dpc✏,p✏, ✏,p✏q solution faible du système (3.14)-(3.17) associé à p

au sens de la Définition 3.2.1u. Mais au vu des résultats du paragraphe 2.3 du Chapitre 2, on a Ec “ E.

Notre problème de contrôle optimal peut alors être défini comme suit. Définition 3.2.2 Trouver pp˚ , c˚, ˚q tels que Jpp˚ , c˚q “ max p✏PE✏Jpp, c✏,p✏q et pc˚

“ c✏,p˚, ˚✏,p˚q est solution faible du système (3.14)-(3.17) associé à p˚

au sens de la Définition 3.2.1.

On rappelle le résultat d’existence issu du Théorème 2.4.2 (mais qui sera re-démontré dans le présent chapitre avec une autre méthode, voir au paragraphe 3.5) :

Proposition 3.2.1 Soit ✏ ° 0.3 Il existe une solution pp˚

, c˚, ˚q au problème de contrôle optimal au sens de la Définition 3.2.2 telle que pour tout T ° 0, c˚

P H1p0, T ; W´1,4p⌦qqX L2p0, T ; H1p⌦qq, v˚

P L8p0, T ; L8p⌦qq et 0 § c˚

pt, xq § 1

presque partout dans ⌦ ˆ R.

3. La preuve du principe du maximum 0 § c˚

§ 1

presque partout dans ⌦ ˆ p0, T q présuppose que la condition initiale vérifie 0 § c0pxq § 1

presque partout dans ⌦ ˆ p0, T q. Comme c0est supposée telle que c0pxq • 0 presque partout et que c0 P L8p⌦Tq, la Proposition 3.2.1 est plus rigoureusement vraie pour tout ✏ ° 0 tel que ✏ † sup⌦Tc0.

Remarque 3.2.2 L’équation d’état est :

R Btc˚ ` v˚ ¨ rc˚ ´ divp Spv˚qrc˚q “ ´rpc˚q ´ gc˚ ` p˚p1 ´ ✏c˚q. L’estimation 0 § c˚

§ 1

(qui équivaut à 0 § ✏c˚

§ 1) presque partout pour le problème dépendant de ✏ est due au terme p1 ´ ✏c˚

q (voir le Chapitre 2).

Remarque 3.2.3 À ✏ ° 0 fixé, chercher le contrôle optimal dans E est bien sûr équi-valent à le chercher dans E. Nous avons cependant choisi de mentionner la dépendance en ✏ car nous utiliserons plus loin une suite de contrôles optimaux (✏ fiÑ p˚

) et nous voulons insister sur le fait que la borne du contrôle dans W1,1p0, T ; Xq peut être choisie arbitrairement grande.

3.2.3 Problème limite

La fonctionnelle à optimiser dans le problème d’optimisation limite est toujours la suivante Jpp, cpq “ ª R` ˆª fpx, pq ´ Dpx, cpq dx ˙ e´⇢tdt,

mais cette fois-ci dans E0. En effet, l’espace E0 est l’espace "naturel" de recherche de l’optimum puisque, au vu de l’équation d’état définissant la vitesse qui ne dépend pas de p (voir par exemple (3.27) quelques lignes plus bas), l’espace E doit être caractérisé par ↵“ 0 ici, et on a donc E “ E0.

L’équation d’état associée est le modèle d’équations aux dérivées partielles régissant le problème hydrogéologique après upscaling. Nous introduisons une définition de solution faible appropriée à cette "équation" limite.

Définition 3.2.3 Soit p P E0. L’équation d’état désigne le système

R Btc´ divp Spvqrcq ` v ¨ rc “ ´˜rpcq ` p ´ gc (3.22) divpvq “ g, v “ ´r , (3.23) dans ⌦ ˆ p0, T q, complété par les conditions initiales et aux bords

Spvqrc ¨ n “ 0 sur B⌦ ˆ p0, T q, c|t“0 “ c0 dans ⌦ (3.24) “ 1 sur B⌦ ˆ p0, T q. (3.25)

Un couple pc, q, avec c P L2p0, T ; H1p⌦qq et P L8p0, T ; H2p⌦qq, est solution faible de (3.22)-(3.25) au sens où pour toute fonction test ' P H1p0, T ; H1p⌦qq avec '|t“T “ 0, on a : ´ ª ⌦T R cBt' dx dt´ ª R c0'|t“0dx` ª ⌦T pv ¨ rcq' dx dt ` ª T Spvqrc ¨ r' dx dt “ ª ⌦t ` ´˜rpcq ` p ` pqp1 ´ cq ´ gc˘' dx dt, (3.26) ª ⌦T div v' dx dt“ ª ⌦T g' dx dt, (3.27) et pour tout P L1p0, T ; H1 0p⌦qq, ª ⌦T v¨ r dx dt “ ª ⌦T ´r ¨ r dx dt, (3.28) “ 1 sur B⌦ ˆ p0, T q. (3.29) Nous pouvons alors définir le sous-ensemble Ec0 de E0 contraint par l’équation d’état :

Ec0 “ tp P E0;Dpcp, q solution faible du système (3.22)-(3.25) associé à p

au sens de la Définition 3.2.3u. D’après les résultats du Chapitre 2, paragraphe 2.3, on a en fait Ec0 “ E0.

On remarque que définie par (3.28)-(3.29) est de fait indépendante de p. Ce n’est donc plus une inconnue du problème.

Notre problème de contrôle optimal peut alors être défini comme suit. Définition 3.2.4 Trouver pp˚, c˚q tels que

Jpp˚, c˚q “ max

pPEc0Jpp, cpq

et pc˚, q est solution faible du système (3.22)-(3.25) associé à p˚ au sens de la Définition 3.2.3.

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