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Saturations d’´energie

L’objectif de ce paragraphe est de montrer l’optimalit´e des estimations d’´energies obtenues dans [ST88] et dans [Cou02]. La d´emonstration ci-dessous se base sur les mˆeme arguments que celle pour ´etablir l’optimalit´e pour un probl`eme aux limites pour lequel la condition de Kreiss-Lopatinskii uniforme n’est pas v´erifi´ee dans la partie hyperbolique d´ecrits dans [CG10].

2.4.1 Saturation de l’estimation d’´energie (2.25).

On commence par l’estimation (2.25). On se place donc dans le cas d’une fr´equence elliptique v´erifiant l’hypoth`ese de stabilit´e 2.1.3.

Th´eor`eme 2.4.1 Soit s > 0, on suppose que pour tout f 2 L2(⌦

T) et g 2 Hs(@⌦T) il existe

une unique solution u 2 L2(⌦

T) du probl`eme aux limites (2.1) qui v´erifie de plus une estimation

d’´energie de la forme kuk2L2(⌦ T) CT ⇣ kfk2L2(⌦ T)+kgk 2 Hs(@⌦T) ⌘ . (2.49) Alors, n´ecessairement s 12.

D´emonstration : Par l’absurde, on suppose que s = 12 , avec > 0. On choisit dans le probl`eme aux limites (2.1), les termes source suivants :

f ⌘ 0, et g":= " (t, x0)ei'"b,

o`u (t, x0)2 Cc1(R ⇥ Rd 1) est nulle pour les temps n´egatifs et strictement positive sur ]0, T [, et o`u

le vecteur b est celui introduit dans la d´efinition 2.1.5. On a clairement g = O(") dans L2(@⌦T) et g = O

⇣ "12

dans H12(@⌦T). D’apr`es l’in´egalit´e

d’interpolation classique pour les espaces de Sobolev appliqu´ee `a s dans⇥0,12⇥on a : kgkHs(@⌦

T) C" 1

2+ .

Utilisant l’estimation d’´energie (2.49), il vient que u" est O"12+ ⌘dans L2(⌦ T).

D’apr`es le th´eor`eme 2.2.2, on sait que l’on peut construire U0 2 Pev tel que (u" ei

' "U0) est O⇣"32 ⌘ dans L2(⌦T). En particulier, (u" ei ' "U0) est aussi O ⇣ "12+ ⌘ dans L2(⌦T).

Utilisant l’in´egalit´e triangulaire, ei'"U0 est O

⇣ "12+

dans L2(⌦T), mais reprenant la construc-

tion de U0 on sait que cette amplitude est de la forme :

U0(t, x, Xd) = (xd)↵0(t, x0)eXdA(⇣)e. (2.50)

Le point crucial pour conclure est donn´e par le lemme suivant qui ´etablit qu’une fonction non nulle de la forme (2.50) ne peut pas ˆetre mieux que O⇣"12

dans L2(⌦ T).

Lemme 2.4.1 Soit U0 une fonction de la forme (2.50) ; alors U0 t, x,x"d est O

⇣ "12

dans L2(⌦ T).

Cette propri´ete est optimale au sens o`u s’il existe  > 0 tel que U0 soit O

⇣ "12+

dans L2(⌦ T),

alors U0 est nulle dans L2(⌦T).

D´emonstration : La premi`ere assertion a d´ej`a ´et´e prouv´ee dans la proposition 2.2.4. Pour montrer la seconde on utilise le fait que pour tout w 2 Ck,M 2 M

k(C) on a |eMw|2 e 2kMk|w|2. Cons´equemment, kU0kL2(⌦T) k↵0kL2(@⌦T) ✓Z +1 0 (xd)e 2xd " kA(⇣)k|e|2dxd ◆1 2 , puis par le changement de variable s = xd

" il vient kU0kL2(⌦T) " 1 2C 0,e ✓Z +1 0 ("u)e 2skA(⇣)kds ◆1 2 , C↵0,e, ,kA(⇣)k" 1 2.

Ce qui conclut la d´emonstration.

⇤ Utilisant le lemme 2.4.1, ei'"U0 est O

⇣ "12+

si et seulement si k↵0kL2(@⌦T) est nulle et donc ↵0

est nulle. Reprenant la construction de la fonction ↵0 on sait que cette fonction est solution de

l’´equation de transport (2.46) avec

˜

g0 = |b|2 6= 0.

Donc, ↵0 est solution d’une ´equation de transport non homog`ene, par cons´equent ↵0 est non nulle

d’o`u la contradiction recherch´ee qui implique que s 12.

2.4.2 Saturation de l’estimation d’´energie (2.48).

Dans ce sous-paragraphe on montre l’optimalit´e de l’estimation d’´energie (2.48). On se place donc dans le cadre d’une fr´equence v´erifiant l’hypoth`ese de stabilit´e 2.1.4. De plus, afin de se placer sous les mˆemes conditions qu’au th´eor`eme 2.3.1 (bien que cela ne soit pas n´ecessaire pour construire le d´eveloppement BKW), on imposera que E+h(⇣) 6= {0}. En d’autre termes, on suppose qu’il existe une phase hyperbolique sortante.

Afin de d´emontrer l’optimalit´e de l’estimation d’´energie, on a besoin de l’hypoth`ese technique suivante :

Hypoth`ese 2.4.1 Soit une fr´equence ⇣ 2 EH, telle que ker B \ E (⇣) 6= {0}, alors Eh

+(⇣) n’est pas

trivial.

De plus BE+h(⇣) n’est pas un sous-espace vectoriel de BE (⇣). De fa¸con ´equivalente, en utilisant le vecteur b introduit dans la d´efinition 2.1.5, il existe un vecteur ~u2 Eh

+(⇣) tel que

b· B~u 6= 0.

On renvoie au sous-paragraphe 2.5.1 pour des exemples de probl`eme aux limites qui satisfont cette hypoth`ese et pour des commentaires sur l’estimation que l’on est en droit d’attendre si cette hy- poth`ese n’est pas v´erifi´ee.

Le th´eor`eme principal de ce sous-paragraphe est le suivant :

Th´eor`eme 2.4.2 Sous les hypoth`eses 2.1.1-2.1.2-2.1.4 et 2.4.1, soit s1, s2 > 0, tels que pour tout

f 2 L2 xd(H

s1

(t,x0))(⌦T) et pour tout g 2 Hs2(@⌦T), il existe une unique solution u 2 L2(⌦T) du

probl`eme aux limites (2.1) qui v´erifie de plus l’estimation d’´energie : kuk2L2(⌦ T) CT ✓ kfk2L2 xd(H(t,x0)s1 )(⌦T) +kgk2Hs2(@⌦T) ◆ . (2.51) Alors on a n´ecessairement s1 12 et s2 12.

Ce th´eor`eme montre donc que malgr´e le fait que la condition de Kreiss-Lopatinskii uniforme d´eg´en`ere en raison des modes ´evanescents, le ph´enom`ene de stabilit´e faible est toutefois amplifi´e par l’existence de composantes hyperboliques. En e↵et, par rapport au cas elliptique on voit apparaˆıtre une perte d’une demi d´eriv´ee `a l’int´erieur du domaine.

Cette perte d’une demi d´eriv´ee n’est pas anodine puisqu’elle exclut notamment les techniques de point fixe apr`es lin´earisation pour r´esoudre les probl`emes aux limites non lin´eaires.

D´emonstration : On commence par d´emontrer l’optimalit´e de la perte de d´eriv´ee `a l’int´erieur du domaine.

Par l’absurde, on suppose que s1= 12 , pour un certain 2⇤0,12⇥.

On pose comme terme source pour le probl`eme aux limites (2.1) g = 0, et f":= "ei'"fos ⇣ t, x,xd " ⌘ , fos⇣t, x,xd " ⌘ := (t, x)ei!m0xd" eh +, o`u eh+2 Eh

+(⇣)\ {0} est choisi de mani`ere `a assurer que

b· Beh+6= 0. (Ce choix est rendu licite grˆace `a l’hypoth`ese 2.4.1).

Par interpolation,

kf"kHs1(⌦T)  C" 1

2+ ,

l’estimation d’´energie (2.51) permet alors de montrer que u" est O"12+ ⌘ dans L2(⌦

T). On con-

struit alors un d´eveloppement BKW et par in´egalit´e triangulaire, on montre que U0 = U0evle premier

terme du d´eveloppement est O⇣"12+

dans L2(⌦ T).

Or, le premier terme du d´eveloppement BKW est donn´e par : U0ev⇣t, x,xd " ⌘ = ↵0(t, x0) (xd)e xd " A(⇣)e,

ce qui implique que pour ↵0 non nul, U0ev est O

⇣ "12

dans L2(⌦T) et pas mieux en vertu du lemme

2.4.1. Par cons´equent ↵0 doit ˆetre nul. Mais, ↵0 est solution de l’´equation de transport (2.46) avec

comme terme source :

˜ g0:= b· g B X m2O u1,m|xd=0 ! , qui dans le cas pr´esent se r´eduit `a :

˜ g0= b· B X m2O u1,m|xd=0 ! .

On conclut par la mˆeme technique que dans [CG10]. Pour m 2 O, u1,m est solution de l’´equation

de transport :

(@t+ vm· rx) u1,m= m,m0 (t, x)eh+,

u1,m|t0 = 0,

ainsi seule l’amplitude u1,m0 est non nulle et est donn´ee par :

u1,m0(t, x) = Z t 0 (s, x + (s t)vm0) ds e h +.

Donc, on peut choisir la fonction de mani`ere `a ce que le terme source ˜

g0= b· Bu1,m0|xd=0,

soit non nul (car eh+est tel que b·Beh

+6= 0), ce qui implique que ↵0est non nul d’o`u la contradiction

recherch´ee. On en d´eduit donc que s1 12.

On montre maintenant que la perte de d´eriv´ee sur le bord est optimale.

Par l’absurde, on suppose que s2 = 12 , 2⇤0,12⇥. La preuve est tr`es semblable `a celle mise

en oeuvre pour montrer l’optimalit´e de l’estimation d’´energie (2.49), on n’utilise donc qu’un terme de for¸cage sur le bord. On pose par cons´equent :

f ⌘ 0 et g(t, x0) := "ei'" (t, x0)b,

avec une fois de plus b provenant de la d´efinition 2.1.5 et 2 C1

c (R ⇥ Rd 1), nulle pour les

temps n´egatifs et strictement positive sur ]0, T [. R´eit´erant les mˆemes arguments d’interpolation que pr´ec´edemment, on peut montrer que

kg"kHs2(@⌦T)  C" 1

Utilisant l’estimation d’´energie (2.51) on montre que u" est O⇣"12+

dans L2(⌦T). On construit

maintenant un d´eveloppement BKW ; on sait alors que ku" ei'"Uev

0 kL2(⌦T) C".

Donc, U0ev est O⇣"12+

dans L2(⌦T), ce qui conduit en r´eit´erant les arguments utilis´es au sous-

paragraphe 2.4.1 au fait que ↵0 est nul. Or, l’´equation de transport dont ↵0 est solution est (2.46)

o`u le terme source est donn´e par : ˜ g0= b· g B X m2O u1,m|xd=0 ! , qui dans le cas pr´esent s’´ecrit :

˜

g0 = |b|2,

puisqu’en l’absence de terme source oscillant `a l’int´erieur, les termes oscillants d’ordre un sortants sont solutions de l’´equation de transport homog`ene (2.41) et sont donc nuls. D’o`u la contradiction recherch´ee, car ↵0 est solution d’une ´equation de transport non triviale donc ne peut ˆetre nul. On

conclut donc que s2 12.