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Sujet proposé par François Alouges

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Academic year: 2022

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Ecole Polytechnique, Promotion X2009

Analyse Numérique et Optimisation (MAP431) Contrôle Hors Classement du 12 avril 2011

Sujet proposé par François Alouges

IMPORTANT: Prière d’indiquer votre numéro de groupe de PC sur votre copie.

Problème (14 points). LetΩ be a regular bounded connected domain of RN, and Ω1 a regular connected subdomain strictly included in Ω (which means Ω¯1 ⊂ Ω). In all the problem, H01(Ω) is equipped with the scalar product

(u, v) = Z

∇u· ∇v dx , and we denote by ||u||H1

0 =p

(u, u)the associated norm. Let f ∈L2(Ω).

We consider for allε >0 the problem

Find uε∈H01(Ω), such that∀v ∈H01(Ω), Z

∇uε· ∇v dx+ 1 ε

Z

1

∇uε· ∇v dx= Z

f v dx . (1) 1. Show that the problem (1) possesses a unique solution.

Assuming that the restriction to Ω\Ω¯1 (resp. to Ω1) of the solution uε of (1) belongs to H2(Ω\Ω¯1) (resp. H2(Ω1)) which boundary value problem does it verify on Ω?

Show also that uε is the unique solution to the minimization problem min

u∈H01(Ω)

Jε(u),

where Jε(u) = 1 2

Z

|∇u|2dx+ 1 2ε

Z

1

|∇u|2dx− Z

f u dx .

2. Show that there exist two constants C1 >0 et C2 >0 independent of ε such that

Z

|∇uε|2dx≤C1 et Z

1

|∇uε|2dx≤C2ε .

1

(2)

Let V be the space defined by

V ={u∈H01(Ω) such thatu|1 is constant}. We also consider the problem

Find u0 ∈V, such that ∀v ∈V, Z

∇u0· ∇v dx= Z

f v dx . (2)

3. Show thatV is a closed subspace ofH01(Ω)and deduce that the problem (2) has a unique solution.

4. Show that

∀v ∈V , Z

∇(uε−u0)· ∇v dx= 0, (3) and deduce that

||uε||H1

0 ≥ ||u0||H1

0 . 5. Using (3), show that

||uε−u0||2H1 0 = inf

v∈V ||uε−v||2H1 0 ,

which means that u0 is the projection onV of uε for the norm H01(Ω).

6. We denote by V the space orthogonal to V in H01(Ω) for the scalar product(·,·). Show that ifv ∈V is such that|v|2V =

Z

1

|∇v|2dx= 0

then v = 0. Deduce that | · |V is a norm on V.

7. Admitting that| · |V defined herebefore is a norm onV which is equiv- alent to the norm H01(Ω), show that there existsC >0 independent of ε such that

||uε−u0||H1

0 ≤C√

,

and conclude that uε converges in H1(Ω) to u0 when ε tends to 0.

Exercice (6 points). We consider the advection equation posed on R×R+

" ∂u

∂t +c∂u

∂x = 0 for (x, t)∈R×R+ u(x,0) =u0(x),

(4)

2

(3)

in which the sign of the velocity c is not prescribed. We discretize (4) with the scheme

un+1j −unj

∆t +c

θunj+1−unj

∆x + (1−θ)unj −unj−1

∆x

= 0,

in which ∆t and ∆x are temporal and spatial steps, θ ∈ [0,1] is a param- eter which is independent of ∆t and ∆x, and unj is an approximation of u(n∆t, j∆x) for k ∈ Z and n ∈ N. We assume in the rest of the exercise that λ =c∆t

∆x is constant.

1. Study the L2 stability of this scheme.

2. Show a convergence result of this scheme to the advection equation.

3

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