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Exercice 3.1.1 Si f est une fonction continue sur [0,1], montrer que l’´equation dif-f´erentielle

ddx2u2 =f pour 0< x <1

u(0) =u(1) = 0. (3.1)

admet une solution unique dansC2([0,1]) donn´ee par la formule u(x) = x

Z 1 0

f(s)(1−s)ds− Z x

0

f(s)(x−s)ds pour x∈[0,1]. (3.2) Correction. Soit u d´efini par (3.2). La continuit´e de la fonction f assure la d´erivabilit´e de la fonctionu. On a

u0(x) = Z 1

0

f(s)(1−s)ds− Z x

0

f(s)ds,

d’o`u−u00(x) =f. De plus,uv´erifie les conditions aux limitesu(0) =u(1) = 0. Ainsi, u est bien solution de l’´equation diff´erentielle (3.1). Il reste `a ´etablir l’unicit´e de la solution de l’´equation (3.1). L’´equation ´etant lin´eaire, il suffit de montrer que toute solution v de l’´equation (3.1) avec f = 0 est nulle. La d´eriv´ee seconde de v ´etant nulle, on en d´eduit que v est une fonction affine. Enfin, les conditions aux limites impliquent la nullit´e de la fonction v.

Exercice 3.2.1 D´eduire de la formule de Green (3.5) la formule de Stokes Z

divσ(x)φ(x)dx =− Z

σ(x)· ∇φ(x)dx+ Z

∂Ω

σ(x)·n(x)φ(x)ds,

o`uφest une fonction scalaire deC1(Ω)etσune fonction `a valeurs vectorielles deC1(Ω),

`a supports born´es dans le ferm´e Ω.

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44 CHAPITRE 3. FORMULATION VARIATIONNELLE

Exercice 3.2.2 En dimensionN = 3on d´efinit le rotationnel d’une fonction deΩdans R3,φ = (φ1, φ2, φ3), comme la fonction de Ω dans R3 d´efinie par Ω, d´eduire de la formule de Green (3.5)

Z

Exercice 3.2.3 On consid`ere le Laplacien avec condition aux limites de Neumann. Soit Ωun ouvert born´e r´egulier deRN et u une fonction de C2(Ω). Montrer que u est une solution du probl`eme aux limites

−∆u=f dans Ω

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En d´eduire qu’une condition n´ecessaire d’existence d’une solution dans C2(Ω) de (3.3) est queR

f(x)dx= 0.

Correction. Supposons que u soit solution du probl`eme aux limites de Neumann (3.3)

−∆u=f dans Ω

∂u

∂n = 0 sur∂Ω.

En multipliant l’´equation v´erifi´ee parupar dans Ω par une fonction testv ∈C1(Ω), on obtient, suite `a une int´egration par partie que

Z

∇u(x).∇v(x)dx− Z

∂Ω

∂u

∂n(x)v(x)ds= Z

f(x)v(x)dx.

Comme∂u/∂n= 0 sur∂Ω, on en d´eduit que Z

∇u(x).∇v(x)dx= Z

f(x)v(x)dx pour toutv ∈C1(Ω). (3.5) R´eciproquement, supposons que u soit une fonction r´eguli`ere v´erifiant (3.5). Par int´egration par partie on a

− Z

(∆u(x)−f(x))v(x)dx+ Z

∂Ω

∂u

∂n(x)v(x)ds = 0 (3.6) pour tout v ∈ C1(Ω). On proc`ede en deux ´etapes : Dans un premier temps, on applique la relation (3.6) `a des fonctions tests `a support compact dans Ω. Cela nous permet de “tester” l’´equation v´erifi´ee par u dans Ω et d’´etablir l’´equation

−∆u=f dans Ω. Dans un deuxi`eme temps, on applique (3.6) `a des fonctions tests non nulles sur ∂Ω, ce qui nous permet de “tester” l’´equation v´erifi´ee par u sur le bord du domaine et d’en d´eduire que ∂u/∂n = 0 sur ∂Ω. Plus pr´ecis´ement, pour toute fonction testv `a support compact dans Ω,

Z

(∆u(x)−f(x))v(x)dx= 0.

On peut conclure `a la nullit´e de ∆u−f de deux mani`ere diff´erentes. La premi`ere consiste `a appliquer le Lemme 3.2.9 du cours. Plus simplement, ∆u−f est nulle car orthogonale `a un sous espace dense de L2(Ω). L’´egalit´e (3.6) implique alors que

∂u/∂n est elle nulle car orthogonale (pour le produit scalaire L2(∂Ω)) `a un sous espace dense de L2(∂Ω), trace des fonctions C1(Ω) sur le bord∂Ω du domaine Ω.

En choisissant la fonction v = 1 comme fonction test dans la formulation va-riationnelle, on en d´eduit que s’il existe une solution u r´eguli`ere au probl`eme aux limites (3.3),

Z

f(x) dx= 0.

46 CHAPITRE 3. FORMULATION VARIATIONNELLE

Exercice 3.2.4 Soit Ω un ouvert born´e r´egulier de RN. On consid`ere l’´equation des plaques

∆ (∆u) = f dans Ω u= 0 sur ∂Ω

∂u

∂n = 0 sur ∂Ω

(3.7) On noteX l’espace des fonctionsv deC2(Ω) telles quev et ∂n∂v s’annulent sur ∂Ω. Soit uune fonction deC4(Ω). Montrer queu est une solution du probl`eme aux limites (3.7) si et seulement siu appartient `a X et v´erifie l’´egalit´e

Z

∆u(x)∆v(x)dx= Z

f(x)v(x)dx pour toute fonction v ∈X. (3.8) Correction. On proc`ede comme pour l’exercice pr´ec`edent. Soit u une solution r´eguli`ere de l’´equation des plaques (3.7), pour toutv ∈X,

Z

∆(∆u)(x)v(x)dx= Z

f(x)v(x)dx. (3.9)

Par int´egration par partie, Z

∆(∆u)(x)v(x)dx = − Z

∇(∆u)· ∇v(x)dx+ Z

∂Ω

∂(∆u)

∂n (x)v(x)ds.

Commev = 0 sur ∂Ω, on en d´eduit que Z

∆(∆u)(x)v(x)dx = − Z

∇(∆u)· ∇v(x)dx puis par une nouvelle int´egration par partie que

Z

∆(∆u)(x)v(x)dx = Z

∆u(x)∆v(x)dx− Z

∂Ω

∆u(x)∂v

∂n(x)ds.

Comme ∂n∂v(x) = 0 sur ∂Ω, le dernier terme de cette ´equation est nulle. Ainsi, on d´eduit de (3.9) que

Z

∆u(x)∆v(x)dx = Z

f(x)v(x)dx.

La r´eciproque s’´etablit comme lors de l’exercice pr´ec´edent. Supposons queusoit une solution du probl`eme variationnel (3.8), en effectuant deux int´egrations par partie successives, on obtient

Z

(∆(∆u)−f)vdx= 0,

pour toutv ∈X. Or X est un sous espace dense de L2(Ω), ainsi ∆(∆u)−f = 0.

Exercice 3.3.1 Le but de cet exercice est de montrer que l’espace V, d´efini par V =

v ∈C1(Ω), v = 0 sur∂Ω , (3.10)

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muni du produit scalaire

hw, vi= Z

∇w(x)· ∇v(x)dx, (3.11) n’est pas complet. Soit Ωla boule unit´e ouverte de RN. SiN = 1, on d´efinit la suite

un(x) =

−x−1 si −1< x <−n−1, (n/2)x2−1 + 1/(2n) si −n−1 ≤x≤n−1, x−1 sin−1 < x <1.

SiN = 2, pour0< α <1/2, on d´efinit la suite un(x) =

log

|x

2|2 +n−1

α

− |log(4−1+n−1)|α. SiN ≥3, pour 0< β <(N−2)/2, on d´efinit la suite

un(x) = 1

(|x|2+n−1)β/2 − 1 (1 +n−1)β/2.

Montrer que la suite un est de Cauchy dans V mais qu’elle ne converge pas dans V lorsquen tend vers l’infini.

Correction.

D’apr`es l’in´egalit´e de Poincar´e, une suite un de l’espace V est de Cauchy, si et seulement si ∇un est une suite de Cauchy dans L2(Ω)N. L’espace L2(Ω)N ´etant complet, on en d´eduit que un est de Cauchy dans V si et seulement si ∇un est convergente dans L2(Ω)N. Ainsi, si V ´etait un espace complet, toute suite de un de V telle que ∇un converge vers un ´el´ement τ de L2(Ω)N serait convergente vers un ´el´ement u de V. En particulier, τ = ∇u serait une fonction continue. Afin de prouver queV n’est pas complet, il suffit donc dans chacun des cas de v´erifier que

∇un converge dans L2(Ω)N vers une fonction discontinue.

Cas N = 1. La suite∇un converge dansL2(]−1,1[) vers la fonction τ d´efinie par τ(x) =

−1 si x <0 1 si x >0

La fonctionτ n’ayant pas de repr´esentant continu,V n’est pas complet.

Cas N = 2. Soit τ : Ω→R2 la fonction d´efinie pour tout x6= 0 par τ(x) =−α2α

|x|2 (−log(|x/2|))α−1x.

On v´erifie sans mal que τ appartient `a L2(Ω)2. En effet, Z

|τ|2dx= 2π2α2 Z 1

0

1

rlog(r/2)2(1−α)dr

48 CHAPITRE 3. FORMULATION VARIATIONNELLE

et comme 2α−1<0, l’int´egrale est finie Z

|τ|2dx= 22α+1πα2(1−2α)−1

logr

2

2α−11 0

= 22α+1πα2

1−2α (log 2)2α−1.

La suite∇unconverge dansL2(Ω)2 versτ. Il suffit `a cet effet, d’appliquer le th´eor`eme de convergence domin´e de Lebesgue en remarquant que |∇un(x)−τ(x)| est une suite d´ecroissante sur un voisinage de l’origine, uniform´ement born´ee en dehors de ce voisinage, convergeant ponctuellement vers z´ero.

Commeτ n’est pas continue, V n’est pas complet.

Cas N ≥ 3. On proc`ede comme dans le cas pr´ec´edent. En particulier, un et de Cauchy et le gradient de un converge dans L2(Ω)N vers

τ =−β x

|x|β+2, La fonction τ appartient bien `a L2(Ω)N, car R1

0 r−2β+N−3dr < +∞ d`es que β <

(N −2)/2, mais n’est pas continue en 0.

Chapitre 4