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A water agency faced with quantity-quality management of a groundwater resource

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Academic year: 2021

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« A Water Agency faced with Quantity-quality Management of a Groundwater Resource »

Katrin ERDLENBRUCH Mabel TIDBALL Georges ZACCOUR

DR n°2012-09

(2)

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(5)

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∂cw

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∂wi2 ≥0, ∂cw

∂D ≥0, ∂2cw

∂D2 ≥0, ∂2cw

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❧✐❢$❡❞ ❛ ❧♦♥❣❡6 ❞✐#$❛♥❝❡ $♦ #✉6❢❛❝❡✮✱ $❤❡ ❤✐❣❤❡6 $❤❡ ❝♦#$ ♦❢ ♣✉♠♣✐♥❣ ✇❛$❡6✳ ■♥❝6❡❛#✐♥❣ ♠❛6❣✐♥❛❧

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#❡❛#♦♥ ♦6 ❛ ✜#❝❛❧ ②❡❛6✳ ❋✉6$❤❡6✱ $❤❡ ❢❛6♠❡6# ❛6❡ #✉❜❥❡❝$ $♦ ♣✉❜❧✐❝ ♣♦❧✐❝✐❡# ♦❢ $❤❡ ✇❛$❡6 ❛❣❡♥❝②✱

♥❛♠❡❧②✱ $❤❡② ♣❛② ❛ $❛① τ ♦♥ $❤❡ ✉#❡ ♦❢ ♣♦❧❧✉$✐♥❣ ❢❡6$✐❧✐③❡6✱ ❛♥❞ ❛ $❛① φ ♦♥ ✐♥❞✐✈✐❞✉❛❧ ✇❛$❡6

✇✐$❤❞6❛✇❛❧#✳ ❈♦♥#❡E✉❡♥$❧②✱ $❤❡ i✬# ❛❣❡♥$ ♣6♦✜$ 6❡❛❞# ❛# ❢♦❧❧♦✇#✿

πi= Z T

0

(piyi(wi(t), fi(t))−cw(D(t), wi(t))−cf(fi(t))−τ fi(t)−φwi(t))dt. ✭✹✮

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✶✳ ❚❤❡6❡ ✐# ♥♦ ❝♦♥❝❡♣$✉❛❧ ❞✐✣❝✉❧$② ✐♥ ❡①$❡♥❞✐♥❣ $❤❡ ♠♦❞❡❧ $♦ ❛♥ ♦❧✐❣♦♣♦❧✐#$✐❝ #❡$$✐♥❣ ✇❤❡6❡

$❤❡ ❢❛6♠❡6# ❝♦♠♣❡$❡ ✇✐$❤ ❛♥ ❤♦♠♦❣❡♥♦✉# ♣6♦❞✉❝$ K ❧❛ ❈♦✉6♥♦$✳ ❆❝$✉❛❧❧②✱ ✇❡ ❝❛♥ ❛❧#♦

❝♦♥#✐❞❡6 ❛ ❞✐✛❡6❡♥$✐❛$❡❞ ♣6♦❞✉❝$ ✭❡✳❣✳✱ ♦6❣❛♥✐❝ ❛♥❞ 6❡❣✉❧❛6✮✱ ✇❤❡6❡ $❤❡ ♣6✐❝❡ ❞♦❡# ♥♦$ ♦♥❧②

❞❡♣❡♥❞ ♦♥ $❤❡ E✉❛♥$✐$② ♣✉$ ♦♥ $❤❡ ♠❛6❦❡$✱ ❜✉$ ❛❧#♦ ♦♥ $❤❡ E✉❛❧✐$② ♦❢ ✐66✐❣❛$✐♦♥ ✇❛$❡6 ❛♥❞

$❤❡ E✉❛♥$✐$② ♦❢ ❢❡6$✐❧✐③❡6 ✉#❡❞ ✐♥ ❢❛6♠✐❣✳ ❖❜✈✐♦✉#❧②✱ $❤❡ ♠♦6❡ #♦♣❤✐#$✐❝❛$❡❞ $❤❡ ♠♦❞❡❧✱ $❤❡

♠♦6❡ ❝♦♠♣❧❡① $❤❡ ❝♦♠♣✉$❛$✐♦♥ ♦❢ $❤❡ ❡E✉✐❧✐❜6✐✉♠ ♣♦❧✐❝✐❡#✳

✷✳ ●✐✈❡♥ $❤❡ #❤♦6$✲$❡6♠ ♣❧❛♥♥✐♥❣ ❤♦6✐③♦♥✱ ✇❡ ❞♦ ♥♦$ ❞✐#❝♦✉♥$ ❢❛6♠❡6 i✬# ♣6♦✜$✳ ■♥❝❧✉❞✐♥❣ ❛

❞✐#❝♦✉♥$ ❢❛❝$♦6 ❞♦❡# ♥♦$ ♣♦#❡ ❛♥② ♣❛6$✐❝✉❧❛6 ❞✐✣❝✉❧$②✳

✷✳✷ ❚❤❡ ❉②♥❛♠✐❝,

❚❤❡ ❞❡♣$❤ ♦❢ $❤❡ ❛E✉✐❢❡6 ❞❡♣❡♥❞# ♦♥ ✇✐$❤❞6❛✇❛❧# ❜② ❢❛6♠❡6# ❛♥❞ ♦♥ ♥❛$✉6❛❧ 6❡❝❤❛6❣❡✳ ❉❡♥♦$❡

❜② r(t) $❤❡ ♠❡❛♥ 6❡❝❤❛6❣❡ 6❛$❡ ♦❢ $❤❡ ❣6♦✉♥❞✇❛$❡6 #$♦❝❦✳ ❚❤❡ ❡✈♦❧✉$✐♦♥ ♦❢ D ✐# ❞❡#❝6✐❜❡❞ ❜②

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D˙ (t) =g X

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, D(0) =D0 ❣✐✈❡♥, ✭✺✮

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∂g

∂wi >0, ∂g

∂r <0.

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❋✉6$❤❡6✱ $❤❡ ❧❛6❣❡6 $❤❡ ✈♦❧✉♠❡ ♦❢ $❤❡ #$♦❝❦ ♦❢ ✇❛$❡6✱ $❤❡ ❤✐❣❤❡6 $❤❡ ❞✐❧✉$✐♦♥ ✭♠✐$✐❣❛$✐♦♥✮ ❝❛♣❛❝✐$②✱

❛♥❞ $❤❡ ❜❡$$❡6 $❤❡ E✉❛❧✐$②✳ ❆# $❤❡6❡ ✐# ❛ ♠♦♥♦$♦♥❡ 6❡❧❛$✐♦♥#❤✐♣ ❜❡$✇❡❡♥ $❤❡ ✈♦❧✉♠❡ ♦❢ ✇❛$❡6

❛♥❞ $❤❡ ❞❡♣$❤ ♦❢ $❤❡ ❛E✉✐❢❡6✱ ✇❡ ❝❛♥ ♠♦❞❡❧ $❤❡ ❡✈♦❧✉$✐♦♥ ♦❢ E✉❛❧✐$② ❛# ❢✉♥❝$✐♦♥ ♦❢ D❛♥❞ ♦❢ $❤❡

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Q˙(t) =h X

i

fi(t), D(t)

!

, Q(0) =Q0 ❣✐✈❡♥, ✭✻✮

(6)

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∂fi <0, ∂h

∂D <0.

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✉%❡ ♦❢ ♣❧❛♥*% ❝♦♥*❛✐♥✐♥❣ ♥✐*#♦❣❡♥✲✜①✐♥❣ %②♠❜✐♦*✐❝ ❜❛❝*❡#✐❛✳ ❚❤✐% ✐% *❤❡ ❝♦♥❝❡♣* ♦❢ ❣#❡❡♥ ♠❛♥✉#❡✿

❢♦# ✐♥%*❛♥❝❡✱ ✇❤✐*❡ ♠✉%*❛#❞ ✭❙✐♥❛♣✐% ❛❧❜❛✮✱ ✈❡*❝❤❡% ✭❱✐❝✐❛✮✱ ♣❤❛❝❡❧✐❛ ♦# #❛♣❡%❡❡❞ ✭❇+❛%%✐❝❛ ♥❛♣✉%✮

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❞❡%*#♦②❡❞ ✐♥ ✇✐♥*❡#✳ ■♥ %♦♠❡ ❊✉#♦♣❡❛♥ ❝♦✉♥*#✐❡%✱ ❢❛#♠❡#% ✇❡#❡ ❡❧✐❣✐❜❧❡ *♦ ❛ ❞❛♠❛❣❡ ♣❛②♠❡♥* ❢♦#

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✷✳✸ ❚❤❡ ❲❛(❡) ❆❣❡♥❝②

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✇❛*❡# ❛❣❡♥❝② ✐% ♥♦* *❤❛* %*#❛✐❣❤*❢♦#✇❛#❞✳ ■❞❡❛❧❧②✱ ♦♥❡ ✇♦✉❧❞ ❧✐❦❡ *♦ ❞❡✜♥❡ ❛ ✇❡❧❢❛#❡ ❢✉♥❝*✐♦♥ *♦

❛%%❡%% *❤❡ ✈❛❧✉❡ *♦ %♦❝✐❡*② ♦❢ ❛♥② ♣❛#*✐❝✉❧❛# ❣♦✈❡#♥♠❡♥*❛❧ ♣♦❧✐❝②✳ ❍♦✇❡✈❡#✱ ✇#✐*✐♥❣ ❞♦✇♥ %✉❝❤

❛ ❢✉♥❝*✐♦♥ ✐% ❛ ❤✐❣❤❧② ❝♦♠♣❧❡① ♣#♦❜❧❡♠ ❢#♦♠ ❛ *❤❡♦#❡*✐❝❛❧✱ ❛% ✇❡❧❧ ❛% ❢#♦♠ ❛ ♣#❛❝*✐❝❛❧ ♣♦✐♥* ♦❢

✈✐❡✇✳ ■♥ *❤✐% ♣❛♣❡#✱ ✇❡ ❛❞♦♣* ❛ ♣#❛❣♠❛*✐❝ ❛♣♣#♦❛❝❤ ❛♥❞ ❛%%✉♠❡ *❤❛* *❤❡ ✇❛*❡# ❛❣❡♥❝② ✉%❡% ✐*%

♣✉❜❧✐❝ ♣♦❧✐❝② *♦ ❛♣♣#♦❛❝❤ ❛% ❝❧♦%❡ ❛% ♣♦%%✐❜❧❡ ♣#❡✲❞❡*❡#♠✐♥❡❞ ❧❡✈❡❧% ♦❢ .✉❛❧✐*② ❛♥❞ .✉❛♥*✐*② ♦❢

✇❛*❡# ❛* *✐♠❡ T✳ ❚❤❡%❡ ❧❡✈❡❧% ❝♦##❡%♣♦♥❞ *♦ ❛ .✉❛❧✐*② ♥♦#♠ ❛♥❞ ❛ ♠✐♥✐♠✉♠ ❛♠♦✉♥* ♦❢ ✇❛*❡#✱

✇❤✐❝❤ %❤♦✉❧❞ ❜❡ ♣#❡%❡#✈❡❞ ❢♦# ❢✉*✉#❡ ♣❡#✐♦❞%✿

Qb(T) =Qb, ✭✼✮

Db(T) =Db, ✭✽✮

▼♦#❡ ♣#❡❝✐%❡❧②✱ *❤❡ ✇❛*❡# ❛❣❡♥❝② ✇✐%❤❡% *♦ ♠✐♥✐♠✐③❡ *❤❡ ❞✐%*❛♥❝❡ ❜❡*✇❡❡♥ ❝✉##❡♥* ❛♥❞ ❞❡%✐#❡❞

.✉❛❧✐*② ❛♥❞ .✉❛♥*✐*② ❧❡✈❡❧%✱ *❤❛* ✐%✱

θ=

α(Q(T)−Qb)2+ (1−α)(D(T)−Db)2

, ✭✾✮

✇❤❡#❡α❛♥❞(1−α)❛#❡ ♣♦%✐*✐✈❡ ✇❡✐❣❤*% *❤❛* ♠❡❛%✉#❡ *❤❡ ✐♠♣♦#*❛♥❝❡ ♦❢ *❤❡ .✉❛❧✐*② ❛♥❞ .✉❛♥*✐*②

❣♦❛❧✱ #❡%♣❡❝*✐✈❡❧②✳ ❙✉❝❤ ♦❜❥❡❝*✐✈❡ %❡❡♠% *♦ ❜❡ ✐♥ ❧✐♥❡ ✇✐*❤ *❤❡ ♣❤✐❧♦%♦♣❤② ♦❢ ♣✉❜❧✐❝✲♣♦❧✐❝② ♠❛❦❡#%

✇❤♦ ✇♦✉❧❞ ❧✐❦❡ *♦ %❡❡ ❛ ❝❧❡❛# %*❛*❡♠❡♥* ♦❢ ✇❤❛* ❛ ❣♦✈❡#♥♠❡♥* ♣#♦❣#❛♠ ✐% ❛✐♠❡❞ ❛*✳

❚♦ ❛❝❤✐❡✈❡ ✐*% ❣♦❛❧%✱ *❤❡ ✇❛*❡# ❛❣❡♥❝② ❝❛♥ ❧❡✈② ✭❝♦♥%*❛♥*✮ *❛①❡% ♦♥ ❢❡#*✐❧✐③❡# ❛♥❞ ✇❛*❡# ✉%❡✳

❚❤❡ ❛❣❡♥❝② ✐% ❡♥❞♦✇❡❞ ✇✐*❤ %♦♠❡ ✜♥❛♥❝✐❛❧ #❡%♦✉#❝❡% ❛* *❤❡ ✐♥✐*✐❛❧ ✐♥%*❛♥* ♦❢ *✐♠❡✱ ❛♥❞ ✐% #❡.✉✐#❡❞

*♦ ❜❛❧❛♥❝❡ ✐*% ❜♦♦❦% ❛* *❤❡ ❡♥❞ ♦❢ *❤❡ ♣❧❛♥♥✐♥❣ ❤♦#✐③♦♥✳ ❚❤❡ ❡.✉✐❧✐❜#✐✉♠✲❜✉❞❣❡* ❝♦♥%*#❛✐♥* ❛*

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0 =b0+ Z T

0

[τX

i

fi(t) +φX

i

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✇❤❡#❡ b0 ✐% *❤❡ ❛✈❛✐❧❛❜❧❡ ❜✉❞❣❡* ❛* *✐♠❡ 0✳ ❚❤❡ ❛❜♦✈❡ ❜✉❞❣❡* ❡.✉❛*✐♦♥ ✐% ❛♥ ✐%♦♣❡#✐♠❡*#✐❝

❝♦♥%*#❛✐♥* *❤❛* ❝❛♥ ❜❡ #❡✇#✐**❡♥ ✐♥ *❤❡ ❢♦#♠ ♦❢ ❛ %*❛*❡ ❡.✉❛*✐♦♥ ❛% ❢♦❧❧♦✇%✿

Y˙ (t) = [τX

i

fi(t) +φX

i

wi(t)] ✇✐*❤ Y(0) =b0 ❛♥❞ Y(T) = 0, ✭✶✶✮

✇❤❡#❡Y(t)#❡♣#❡%❡♥*% *❤❡ ❢✉♥❞% ❛✈❛✐❧❛❜❧❡ ❛* *✐♠❡ t∈[0, T]✳

❲❡ ♠❛❦❡ *❤❡ ❢♦❧❧♦✇✐♥❣ ❝❧❛#✐✜❝❛*✐♦♥ #❡♠❛#❦%✿

■♥ ❋#❛♥❝❡ ❢♦# ❡①❛♠♣❧❡✱ .❤❡ ■♥❞❡♠♥✐&' ❝♦♠♣❡♥+❛&♦✐-❡ ❞❡ ❝♦✉✈❡-&✉-❡ ❞❡+ +♦❧+ ✭❈♦❞❡ ❞❡ ❧✬❡♥✈✐#♦♥♥❡♠❡♥.

▲■■✶✳✶✳✸✳✸✮ ❛♠♦✉♥.❡❞ .♦ ✻✵ ❡✉#♦>✴❤❛ ✐♥ ✷✵✵✸✳

(7)

✶✳ ❚❤❡ %❛① (❛%❡) τ ❛♥❞ φ ❞♦ ♥♦% ✈❛(② ✇✐%❤ %✐♠❡ ❛♥❞✴♦( %❤❡ )%❛%❡ ♦❢ %❤❡ )②)%❡♠ ✭5✉❛❧✐%② ♦❢

%❤❡ ❣(♦✇♥❞✇❛%❡( ❛♥❞ ❞❡♣%❤ ♦❢ %❤❡ ❛5✉✐❢❡(✮ ❞✉(✐♥❣ %❤❡ ♣❧❛♥♥✐♥❣ ✐♥%❡(✈❛❧ [0, T]✳ ❆❧%❤♦✉❣❤

)%❛%❡ ♦( %✐♠❡ ❞❡♣❡♥❞❡♥% %❛① (❛%❡) ♠❛② ❜❡ ❝♦♥❝❡♣%✉❛❧❧② ❛%%(❛❝%✐✈❡✱ %❤❡② ❛(❡ ❞✐✣❝✉❧% %♦

✐♠♣❧❡♠❡♥% ✐♥ (❡❛❧✐%②✳ ■♥❞❡❡❞✱ ✐% ✇✐❧❧ ❜❡ ✈❡(② ❞✐✣❝✉❧% ❢♦( ♣✉❜❧✐❝ ❛❣❡♥❝✐❡) %♦ ❡①♣❧❛✐♥ ❛ ♣♦❧✐❝②

%❤❛% ❝♦♥%✐♥✉♦✉)❧② ❝❤❛♥❣❡) ♦✈❡( %✐♠❡✱ ❛♥❞ ❢❛(♠❡() ✇✐❧❧ ❤❛(❞❧② ❛❝❝❡♣% )✉❝❤ ❛ ♠❡❝❤❛♥✐)♠✳ ❲❡

❜❡❧✐❡✈❡ %❤❛% ♦✉( ❛))✉♠♣%✐♦♥ )✐♠♣❧② (❡✢❡❝%) ❛❝%✉❛❧ ♣(❛❝%✐❝❡ ✇❤❡(❡ %❛① (❛%❡) ✭❛) ✇❡❧❧ ❛) ♦%❤❡(

♣✉❜❧✐❝ )❡(✈✐❝❡ ♣(✐❝❡)✮ ❛(❡ )❡% ❝♦♥)%❛♥% ❜② ❣♦✈❡(♥♠❡♥%❛❧ ❛❣❡♥❝✐❡) ❢♦( %❤❡ ✇❤♦❧❡ ❞✉(❛%✐♦♥ ♦❢

%❤❡ ✜)❝❛❧ ❡①❡(❝✐)❡✱ %②♣✐❝❛❧❧② ❛ ②❡❛(✳ ❙✉❝❤ ❝♦♥)%❛♥% %❛① ❛♥❞ )✉❜)✐❞② ♣♦❧✐❝✐❡) ✇❡(❡ ✉)❡❞ ❜②

❑(❛✇❝③②❦ ❛♥❞ ❩❛❝❝♦✉( ❬✼❪ ✐♥ ❛ ❞②♥❛♠✐❝ ❣❛♠❡ ✇❤❡(❡ ❛ ❧♦❝❛❧ ❣♦✈❡(♥♠❡♥% ❛✐♠) ❛% ❝♦♥%(♦❧❧✐♥❣

♣♦❧❧✉%✐♦♥ ❡♠✐))✐♦♥) ❜② ❞❡❝❡♥%(❛❧✐③❡❞ ❛❣❡♥%)✳

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0

[τX

i

fi(t) +φX

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wi(t)]dt.

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♦❢ ✐♥♣✉%)✱ wi(t) ❛♥❞ fi(t)✱ %❤❛% ♠❛①✐♠✐③❡ ♣(♦✜%)✱ ❣✐✈❡♥ ❜② ❡5✉❛%✐♦♥ ✭✹✮✳ ◆♦%❡ %❤❛% %❤❡ ✇❛%❡(

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❡❧❜❡'❣ ❡D✉✐❧✐❜'✐❛ ❛'❡ (✐♠❡ ❝♦♥?✐?(❡♥(✳

(8)

✉❛❧✐%② ❞♦❡* ♥♦% ❛♣♣❡❛- ✐♥ %❤❡ ♣❛②♦✛ ❢✉♥❝%✐♦♥ ♦❢ ❛ ❢❛-♠❡-✱ ❛♥❞ ❤❡♥❝❡ ✐% ✐* ✐--❡❧❡✈❛♥% ❢♦- %❤✐*

❛❣❡♥%✳ ❋✉-%❤❡-✱ ✇❡ *✉♣♣♦*❡ %❤❛% %❤❡ ❜✉❞❣❡% ❝♦♥*%-❛✐♥% ❛♥❞ %❤❡ ❡✈♦❧✉%✐♦♥ ♦❢ %❤❡ ✇❛%❡- ❞✐*%❛♥❝❡

❛-❡ ♣-✐✈❛%❡ ✐♥❢♦-♠❛%✐♦♥ ❞❡%❛✐♥❡❞ ❜② %❤❡ ✇❛%❡- ❛❣❡♥❝②✱ ✐✳❡✳✱ %❤❡ ❢❛-♠❡-* ❞♦ ♥♦% ♦❜*❡-✈❡ %❤❡*❡ *%❛%❡

❡ ✉❛%✐♦♥*✳ ❲❡ *❤❛❧❧ ♦♠✐% ❢-♦♠ ♥♦✇ ♦♥ %❤❡ %✐♠❡ ❛-❣✉♠❡♥% ✇❤❡♥ ♥♦ ❛♠❜✐❣✉✐%② ♠❛② ❛-✐*❡✳

❆**✉♠✐♥❣ ❛♥ ✐♥%❡-✐♦- *♦❧✉%✐♦♥✱ %❤❡ ✜-*%✲♦-❞❡- ❡ ✉✐❧✐❜-✐✉♠ ❝♦♥❞✐%✐♦♥* ❛-❡✿

∂Hi

∂wi = pi∂yi(wi, fi)

∂wi −∂cw(D, wi)

∂wi −φ= 0, ✭✶✷✮

∂Hi

∂fi = pi∂yi(wi, fi)

∂fi −cf(fi)−τ = 0. ✭✶✸✮

❊ ✉❛%✐♦♥* ✭✶✷✮✲✭✶✸✮ ❛-❡ %❤❡ ✉*✉❛❧ ♦♣%✐♠❛❧✐%② ❝♦♥❞✐%✐♦♥* *%❛%✐♥❣ %❤❛%✱ ❛% %❤❡ ♦♣%✐♠✉♠✱ ♠❛-❣✐♥❛❧

-❡✈❡♥✉❡ ❢-♦♠ ♣-♦❞✉❝%✐♦♥ ❡ ✉❛❧ ♠❛-❣✐♥❛❧ ❝♦*%*✳ ■♥ ❡ ✉❛%✐♦♥ ✭✶✷✮✱ ♠❛-❣✐♥❛❧ -❡✈❡♥✉❡* ❛-❡ ❞✉❡ %♦

%❤❡ ✉*❡ ♦❢ ♦♥❡ ❛❞❞✐%✐♦♥❛❧ ✉♥✐% ♦❢ ✇❛%❡-✳ ▼❛-❣✐♥❛❧ ❝♦*%* ❛-❡ ❣✐✈❡♥ ❜② ♠❛-❣✐♥❛❧ ❝♦*%* ♦❢ ♣✉♠♣✐♥❣

❛♥❞ ❞✐*%-✐❜✉%✐♥❣ ✐--✐❣❛%✐♦♥ ✇❛%❡- ❛♥❞ ❜② %❤❡ %❛①❡* ♣❛✐❞ ♣❡- ✉♥✐% ♦❢ ✇❛%❡- ♣✉♠♣❡❞ ■♥ ❡ ✉❛%✐♦♥

✭✶✸✮✱ ♠❛-❣✐♥❛❧ -❡✈❡♥✉❡* ❞✉❡ %♦ %❤❡ ✉*❡ ♦❢ ♦♥❡ ❛❞❞✐%✐♦♥❛❧ ✉♥✐% ♦❢ ❢❡-%✐❧✐③❡- ❛-❡ ❡ ✉❛❧ %♦ ♠❛-❣✐♥❛❧

❝♦*% ♦❢ ❜✉②✐♥❣ ❢❡-%✐❧✐③❡-* ❛♥❞ %❤❡ %❛① ♣❛✐❞ ♣❡- ✉♥✐% ♦❢ ❢❡-%✐❧✐③❡-✳

❯*✐♥❣ ✭✶✷✮✲✭✶✸✮✱ ✇❡ ❝❛♥ ❡①♣-❡** wi ❛♥❞ fi ❛* ❢✉♥❝%✐♦♥* ♦❢ %❤❡ *%❛%❡ ✈❛-✐❛❜❧❡✱ D ❛♥❞ %❤❡

✐♥*%-✉♠❡♥%* ♦❢ %❤❡ ✇❛%❡- ❛❣❡♥❝②✳ ❉❡♥♦%❡ ❜②f˜i(D, τ, φ)❛♥❞w˜i(D, τ, φ)%❤❡*❡ -❡❛❝%✐♦♥ ❢✉♥❝%✐♦♥*✳

✸✳✷ ❚❤❡ ▲❡❛❞❡)✬+ ,)♦❜❧❡♠

❚❤❡ ❧❡❛❞❡- *♦❧✈❡* ❛♥ ♦♣%✐♠❛❧✲❝♦♥%-♦❧ ♣-♦❜❧❡♠ ✇❤✐❝❤ ✐* ♥♦% *%❛♥❞❛-❞ ❜❡❝❛✉*❡ %❤❡ ✇❛%❡- ❛❣❡♥❝②

✐* ❧♦♦❦✐♥❣ ❢♦- ❛ ❝♦♥*%❛♥% %❛① ♣♦❧✐❝② %❤-♦✉❣❤♦✉% %❤❡ ♣❧❛♥♥✐♥❣ ❤♦-✐③♦♥✳ ❚❤❡ ✇❛%❡- ❛❣❡♥❝② ❝❤♦*❡*

%❤✐* ♣♦❧✐❝② *♦ ❛* %♦ ♠✐♥✐♠✐③❡ %❤❡ ❞✐*%❛♥❝❡ ❜❡%✇❡❡♥ ♦❜*❡-✈❡❞ ❛♥❞ ❞❡*✐-❡❞ ✉❛♥%✐%② ❛♥❞ ✉❛❧✐%②

❧❡✈❡❧* ❛% %❤❡ ❡♥❞ ♦❢ %❤❡ ♣❧❛♥♥✐♥❣ ❤♦-✐③♦♥✱ T✱ %❛❦✐♥❣ ✐♥%♦ ❛❝❝♦✉♥% %❤❡ ❢♦❧❧♦✇❡-* -❡❛❝%✐♦♥* ❛♥❞ %❤❡

❡✈♦❧✉%✐♦♥ ♦❢ ❛❧❧ %❤❡ *%❛%❡ ✈❛-✐❛❜❧❡* ✭*❡❡ ❡ ✉❛%✐♦♥ ✭✶✵✮✳

❙✉❜*%✐%✉%✐♥❣ ❢♦-f˜i(D, τ, φ)❛♥❞w˜i(D, τ, φ)✐♥ %❤❡ ✇❛%❡- ❛❣❡♥❝②✬* ❜✉❞❣❡%✱ ✉❛♥%✐%② ❛♥❞ ✉❛❧✐%②

❡ ✉❛%✐♦♥* ❧❡❛❞* %♦

Y˙ (t) = τX

i

i(D, τ, φ) +φX

i

˜

wi(D, τ, φ), Y(0) =b0, Y(T) = 0, ✭✶✹✮

D˙ = g X

i

˜

wi(D, τ, φ), r

!

, D(0) =D0, ✭✶✺✮

Q˙(t) = h X

i

i(D, τ, φ), D(t)

!

, Qi(0) =Q0 ❣✐✈❡♥. ✭✶✻✮

❚❤❡ ❧❡❛❞❡-✬* ❍❛♠✐❧%♦♥✐❛♥ -❡❛❞* ❛* ❢♦❧❧♦✇*✿

HL"

D(t), µD(t), Q(t), µQ(t), Y (t), µY (t), τ, φ

D(t)g X

i

˜

wi(D(t), λi(t), τ, φ), r

!

Q(t)h X

i

i(D, λi, τ, φ), D(t)

!

Y (t) τX

i

i(D, λi, τ, φ) +φX

i

˜

wi(D, λi, τ, φ)

! ,

✇❤❡-❡ %❤❡µD(t), µQ(t)❛♥❞µY (t)❛-❡ ❛❞❥♦✐♥% ✈❛-✐❛❜❧❡* ❛♣♣❡♥❞❡❞ %♦ %❤❡ *%❛%❡ ✈❛-✐❛❜❧❡*D(t), Q(t)

❛♥❞ Y (t).

❆**✉♠✐♥❣ ❛♥ ✐♥%❡-✐♦- *♦❧✉%✐♦♥✱ ❛❧♦♥❣ ✇✐%❤ %❤❡ ❢♦✉- *%❛%❡ ❡ ✉❛%✐♦♥* ✐♥ ✭✶✺✮✲✭✶✻✮✱ %❤❡ ✜-*%✲♦-❞❡-

(9)

♦♣"✐♠❛❧✐"② ❝♦♥❞✐"✐♦♥+ ❛,❡ ❛+ ❢♦❧❧♦✇+✿

˙

µD = −∂HL

∂D , µD(T) = 2(1−α)(D(T)−Db), ✭✶✼✮

˙

µQ = −∂HL

∂Q , µQ(T) = 2α(Q(T)−Qb), ✭✶✽✮

˙

µY = −∂HL

∂Y , ✭✶✾✮

Z T

0

∂HL

∂τ dt = 0, ✭✷✵✮

Z T

0

∂HL

∂φ dt = 0. ✭✷✶✮

❘❡❝❛❧❧ "❤❛" "❤❡ ♦♣"✐♠❛❧✐"② ❝♦♥❞✐"✐♦♥+ ✐♥ ✭✷✵✮ ❛♥❞ ✭✷✶✮ "❛❦❡ "❤❡ ❢♦,♠ ♦❢ ❛♥ ✐♥"❡❣,❛❧ ❜❡❝❛✉+❡

♦❢ ♦✉, ,❡+",✐❝"✐♦♥ ♦❢ "❤❡ ❧❡❛❞❡,✬+ "❛① ♣♦❧✐❝✐❡+ "♦ ❝♦♥+"❛♥" ♦♥❡+✳ ❋✉,"❤❡,✱ ❛+ "❤❡ ✈❛❧✉❡+ ♦❢ +"❛"❡

✈❛,✐❛❜❧❡ Y (t) ❛,❡ ❣✐✈❡♥ ❛"0 ❛♥❞ T✱ "❤❡ ❛❞❥♦✐♥" ✈❛,✐❛❜❧❡ µY ✐+ ❢,❡❡✳ ❋✐♥❛❧❧②✱ ✇❡ ♥♦"❡ "❤❛" "❤❡

❧❡❛❞❡,✬+ ♦♣"✐♠❛❧✐"② ❝♦♥❞✐"✐♦♥+ ✐♥❝❧✉❞❡8 ❡F✉❛"✐♦♥+ ❛♥❞ +❛♠❡ ♥✉♠❜❡, ♦❢ ✉♥❦♥♦✇♥+✳

✹ ■❧❧✉$%&❛%✐♦♥

❲❡ ✐❧❧✉+",❛"❡ ✐♥ "❤✐+ +❡❝"✐♦♥ "❤❡ "②♣❡ ♦❢ ✐♥+✐❣❤" "❤❛" ❝❛♥ ❜❡ ♦❜"❛✐♥❡❞ ✉+✐♥❣ ♦✉, ♠♦❞❡❧✳ ❚♦ ❦❡❡♣

"❤✐♥❣+ ❛+ +✐♠♣❧❡ ❛+ ♣♦++✐❜❧❡✱ ✇❡ ❛++✉♠❡ "❤❛" "❤❡ n ❢❛,♠❡,+ ❛,❡ ✐❞❡♥"✐❝❛❧✳ ●✐✈❡♥ ♦✉, +❡""✐♥❣+ ♦❢

♣,✐❝❡✲"❛❦✐♥❣ ❢❛,♠❡,+ ❧♦❝❛"❡❞ ♦♥ "❤❡ +❛♠❡ ❣,♦✇♥❞✇❛"❡,✱ "❤✐+ ❛++✉♠♣"✐♦♥ ✐+ ♥♦" +❡✈❡,❡✳

✹✳✶ #$♦❞✉❝)✐♦♥ ❢✉♥❝)✐♦♥- ❛♥❞ ❞②♥❛♠✐❝-

❲❡ ❛❞♦♣" "❤❡ ❢♦❧❧♦✇✐♥❣ ♣,♦❞✉❝"✐♦♥ ❢✉♥❝"✐♦♥✿

yi=Awifi+Bwi+Efi−K1 2fi2−1

2M w2i +G,

✇❤❡,❡A, B, E, K, M ❛♥❞G❛,❡ ♥♦♥✲♥❡❣❛"✐✈❡ ♣❛,❛♠❡"❡,+✳ ❙♦♠❡ ,❡+",✐❝"✐♦♥+ ♦♥ "❤❡+❡ ♣❛,❛♠❡"❡,+

✇✐❧❧ ❜❡ ,❡F✉✐,❡❞ "♦ +❛"✐+❢② "❤❡ ❝♦♥❞✐"✐♦♥+ ✐♥ ✭✶✮✱ ♥❛♠❡❧②✿

∂yi

∂wi = Afi+B−M wi ≥0, ∂2yi

∂wi2 =−M ≤0,

2yi

∂wi∂fi = A >0, ∂yi

∂fi =Awi+E−Kfi ≥0, ∂2yi

∂fi2 =−K <0.

❚❤❡ ,❡✈❡♥✉❡ ❢✉♥❝"✐♦♥ ♦❢ ❢❛,♠❡, i ✐+ ❣✐✈❡♥ ❜② pyi✳ ❯+✐♥❣ "❤❡ ❛❜♦✈❡ ❞❡,✐✈❛"✐✈❡+✱ ✐" ✐+ ❡❛+② "♦

✈❡,✐❢② "❤❛" ❢♦, "❤❡ ,❡✈❡♥✉❡ ❢✉♥❝"✐♦♥ "♦ ❜❡ ❝♦♥❝❛✈❡✱ ✐" ✐+ ♥❡❝❡++❛,② "♦ ❤❛✈❡ "❤❡ ❞❡"❡,♠✐♥❛♥" ♦❢ "❤❡

❍❡++✐❛♥ ♠❛",✐① ♥♦♥✲♥❡❣❛"✐✈❡✱ ✐✳❡✳✱

p2A2−p2KM ≤0. ✭✷✷✮

■♥ +♦♠❡ ♦❢ "❤❡ ❢♦❧❧♦✇✐♥❣ ❡①❛♠♣❧❡+✱ ✇❡ ✇✐❧❧ ✉+❡ "❤❡ +✐♠♣❧✐❢②✐♥❣ ❛++✉♠♣"✐♦♥ A = 0✳ ■♥ "❤❛"

❝❛+❡✱ "❤❡ ❞❡"❡,♠✐♥❛♥" ♦❢ "❤❡ ❍❡++✐❛♥ ♠❛",✐① ✐+ ♥❡❣❛"✐✈❡✱ ✐✳❡✳✱

−p2KM ≤0. ✭✷✸✮

❚❤❡ ❢❡,"✐❧✐③❡, ❛F✉✐+✐"✐♦♥ ❝♦+" ✐+ ❣✐✈❡♥ ❜②

cf(fi) =Lfi,

❆! "❤❡%❡ ✐! ♥♦ ♣❛%"✐❝✉❧❛% ♥❡❡❞ ❢♦% ✐"✱ ✇❡ ❞♦ ♥♦" ✇%✐"❡ "❤❡!❡ ❝♦♥❞✐"✐♦♥! ✐♥ ❢✉❧❧✳ ❲❡ ✇✐❧❧ ❞❡"❛✐❧ "❤❡♠ ✐♥ "❤❡

❡①❛♠♣❧❡

(10)

✇❤❡#❡L ✐% ❛ ♣♦%✐)✐✈❡ ♣❛#❛♠❡)❡#✳ ❚❤❡ ✐##✐❣❛)✐♦♥ ❝♦%) ✐% %♣❡❝✐✜❡❞ ❛%

cw(wi) = (Z+CD)wi,

✇❤❡#❡Z ❛♥❞C❛#❡ ♣♦%✐)✐✈❡ ♣❛#❛♠❡)❡#%✳ ❚❤❡ )❡#♠Zwi #❡♣#❡%❡♥)% )❤❡ ❝♦%) ♦❢ ❞✐%)#✐❜✉)✐♥❣ ✇❛)❡#✱

❛♥❞ CDwi ✐% )❤❡ ✇❛)❡#✲♣✉♠♣✐♥❣ ❝♦%) )❤❛) ❞❡♣❡♥❞% ♦♥ )❤❡ ❞✐%)❛♥❝❡ ❜❡)✇❡❡♥ )❤❡ )♦♣%♦✐❧ ❛♥❞ )❤❡

✇❛)❡#)❛❜❧❡✳ ❈❧❡❛#❧②✱ )❤❡ ❛❜♦✈❡ ❝♦%) ❢✉♥❝)✐♦♥% %❛)✐%❢② )❤❡ #❡;✉✐#❡♠❡♥)% ✐♥ ✭✸✮ ❛♥❞ ✭✷✮✳

❚❤❡ ❞②♥❛♠✐❝% ♦❢ )❤❡ ❞❡♣)❤ ❛♥❞ ;✉❛❧✐)② ♦❢ )❤❡ ❣#♦✇♥❞✇❛)❡# ❛#❡ ♠♦❞❡❧❡❞ ❛% ❢♦❧❧♦✇%✿

D˙ = X

i

wi−r, D(0) =D0, Q˙ = −δX

i

fi

!

D, Q(0) =Q0,

✇❤❡#❡δ ✐% ❛ ♥♦♥✲♥❡❣❛)✐✈❡ ♣❛#❛♠❡)❡#✳◆♦)❡ )❤❛) ;✉❛❧✐)② ✐% ♥♦♥✲✐♥❝#❡❛%✐♥❣✱ ❢♦# ❛❧❧t✳

✹✳✷ ❆♥❛❧②(✐❝❛❧ +❡-✉❧(- ✇✐(❤♦✉( ❝♦♠♣❧❡♠❡♥(❛+✐(②

❙✉♣♣♦%❡ ✜#%) )❤❡#❡ ✐% ♥♦ ❝#♦%%✲❡✛❡❝) ❜❡)✇❡❡♥ ✐♥♣✉)%✱ ✐✳❡✳ A= 0✳

✹✳✷✳✶ ❖♣&✐♠❛❧ ✐♥♣✉& ❛♥❞ ♣♦❧✐❝② ❝❤♦✐❝❡

●✐✈❡♥ ♦✉# ❢✉♥❝)✐♦♥❛❧ %♣❡❝✐✜❝❛)✐♦♥%✱ ❢❛#♠❡#i✬% ❍❛♠✐❧)♦♥✐❛♥ ♥♦✇ #❡❛❞%✿

Hi =p

Bwi+Efi−1

2Kfi2−1

2M wi2+G

−(Z+CD)wi−Lfi−τ fi−φwi.

❆%%✉♠✐♥❣ ❛♥ ✐♥)❡#✐♦# %♦❧✉)✐♦♥✱ )❤❡ ✜#%)✲♦#❞❡# ❡;✉✐❧✐❜#✐✉♠ ❝♦♥❞✐)✐♦♥% ♦❢ ❢❛#♠❡# i, i = 1, . . . , N,

❛#❡ ❣✐✈❡♥ ❜②✿

∂Hi

∂wi = 0⇔w˜i(τ, φ) = pB−CD−Z−φ

pM , ✭✷✹✮

∂Hi

∂fi = 0⇔f˜i(τ, φ) = pE−L−τ

pK . ✭✷✺✮

◆♦)❡ )❤❛) )❤❡ %♦❧✉)✐♦♥ ✐% ❢✉❧❧② %②♠♠❡)#✐❝✱ ✐✳❡✳ w˜i(τ, φ) = ˜w(τ, φ) ❛♥❞ f˜i(τ, φ) = ˜f(τ, φ)✱ ❢♦# ❛❧❧

i= 1, . . . N✳

34♦♣♦5✐&✐♦♥ ✶ ❋❛"♠❡"% ❛✉'♦✲"❡❣✉❧❛'❡ '❤❡✐" ✇❛'❡" ✉%❡ ✇❤❡♥ '❤❡ ✇❛'❡" ❞✐%'❛♥❝❡ ✐♥❝"❡❛%❡%✳ ❋✉"✲

'❤❡"✱ ❢❛"♠❡"% ✉%❡ ❧❡%% ✇❛'❡" ✭❢❡"'✐❧✐③❡"✮ ✇❤❡♥ '❤❡ ✇❛'❡" ✭❢❡"'✐❧✐③❡"✮ ✐♥♣✉' ✐% '❛①❡❞✳

34♦♦❢✳ ❋#♦♠ ❡;✉❛)✐♦♥% ✭✷✹✮ ❛♥❞ ✭✷✺✮✱ ✐) ✐% ♦❜✈✐♦✉% )❤❛)✿

∂w˜

∂D < 0, ∂f˜

∂D = 0,

∂w˜

∂τ = 0,∂w˜

∂φ <0,∂f˜

∂τ <0,∂f˜

∂φ = 0.

❚❤❡ ❧❛#❣❡# )❤❡ ✇❛)❡# ❞✐%)❛♥❝❡✱ ✇❤✐❝❤ ✐% %②♥♦♥②♠♦✉% )♦ ❛ ❤✐❣❤❡# ♣✉♠♣✐♥❣ ❝♦%)✱ )❤❡ ❧♦✇❡# )❤❡

❢❛#♠❡#✬% ✇❛)❡# ✉%❡✳ ❚❤❡ ❤✐❣❤❡# )❤❡ ✇❛)❡# ✭❢❡#)✐❧✐③❡#✮ )❛①✱ )❤❡ ❧♦✇❡# )❤❡ ♦♣)✐♠❛❧ ✐##✐❣❛)✐♦♥ ✭❢❡#)✐❧✲

✐③❡#✮ ✉%❡✳

(11)

❆❢"❡$ %✉❜%"✐"✉"✐♥❣ ❢♦$ w˜(τ, φ) ❛♥❞f˜(τ, φ) ✐♥ "❤❡ %"❛"❡ ❡/✉❛"✐♦♥% D,˙ Q˙ ❛♥❞ Y˙✱ ✇❡ ♦❜"❛✐♥ "❤❡

❢♦❧❧♦✇✐♥❣ ❍❛♠✐❧"♦♥✐❛♥ ❢♦$ "❤❡ ❧❡❛❞❡$✿

HL = µDN( ˜wi−r)−µQδNf˜iD+µY h

τ Nf˜i+N φw˜i

i

= N"

µDYφ

pB−CD−Z−φ pM

+N"

−µQδD+µYτ

pE−L−τ pK

−rN µD,

✇❤❡$❡µD(t), µQ(t) ❛♥❞µY (t)❛$❡ ❛❞❥♦✐♥" ✈❛$✐❛❜❧❡% ❛♣♣❡♥❞❡❞ "♦ "❤❡ %"❛"❡ ✈❛$✐❛❜❧❡%D(t), Q(t)

❛♥❞ Y (t)✳ ❚❤❡ ✜$%"✲♦$❞❡$ ♦♣"✐♠❛❧✐"② ❝♦♥❞✐"✐♦♥% ❛♥❞ "❤❡ %♦❧✉"✐♦♥ ♣$♦❝❡❞✉$❡ ❛$❡ ❣✐✈❡♥ ✐♥ "❤❡

❆♣♣❡♥❞✐① ✭❆✳✶✳✶✮✳ ❙♦❧✈✐♥❣✱ ✇❡ ❣❡"✿

D(t, φ) = e−ρtD0+ Θ(φ)(1−e−ρt), ✭✷✻✮

Q(t, φ, τ) = Q0−Λ(τ) Z t

0

D(s)ds, ✭✷✼✮

Y (t, φ, τ) = b0

N

pKM [(pE−L−τ)τ M+ (pB−Z−φ)φK]t−φρ Z t

0

D(s)ds, ✭✷✽✮

✇❤❡$❡

Θ (φ) =

N(pB−Z−φ)−rpM N C

, Λ (τ) = δN(pE−L−τ)

pK , ρ= N C pM

❛♥❞ Z t

0

D(s)ds= D0−D(t)

ρ + Θ(φ)t.

❲❡ ❛❧%♦ ❤❛✈❡ "♦ ❝♦♥%✐❞❡$ "❤❡ %♣❡❝✐❛❧ ❝♦♥❞✐"✐♦♥% ❛% ✇❡ ❝❛♥ %❡❡ ✐♥ "❤❡ ❆♣♣❡♥❞✐①✱ ❡/✉❛"✐♦♥% ✭✹✵✮

❛♥❞ ✭✹✶✮ ✳ ❲❡ "❤❡$❡❢♦$❡ ❡♥❞ ✉♣ ✇✐"❤ ❛ %②%"❡♠ ♦❢ ✸ ❡/✉❛"✐♦♥% ✭✹✼✮✲✭✹✾✮ ❢♦$ "❤❡ "❤$❡❡ ✉♥❦♥♦✇♥%

τ, φ ❛♥❞µY ✇❤✐❝❤ ✇❡ ❝❛♥ %♦❧✈❡✳ ❲❡ ❝❛♥ "❤❡♥ ✐♥%❡$" "❤❡ $❡%✉❧"% ✐♥ "❤❡ %②%"❡♠ ❞②♥❛♠✐❝% ❛♥❞ "❤❡

$❡❛❝"✐♦♥ ❢✉♥❝"✐♦♥% ♦❢ "❤❡ ❢♦❧❧♦✇❡$%✳

!♦♣♦$✐&✐♦♥ ✷ ❚❤❡ ✉$❡ ♦❢ ♦♣(✐♠❛❧ ✐♥♣✉( (❛①❡$ ❧❡❛❞$ (♦ ❛ ❜❡((❡1 ✇❛(❡1 3✉❛❧✐(② ♦✈❡1 (✐♠❡✳ ❚❤❡

✉$❡ ♦❢ (❤❡ ♦♣(✐♠❛❧ ✇❛(❡1 (❛① ❞❡❝1❡❛$❡$ (❤❡ ✇❛(❡1✲(❛❜❧❡ ❞✐$(❛♥❝❡ ♦✈❡1 (✐♠❡✱ ✐✳❡✳ ❧❡❛❞$ (♦ ❛ ❣1❡❛(❡1

❣1♦✉♥❞✇❛(❡1 ✈♦❧✉♠❡✳

!♦♦❢✳ N$♦♦❢ ✐♥ "❤❡ ❆♣♣❡♥❞✐①✱ ✭❆✳✶✳✷✮✳

✹✳✷✳✷ ◆♦ ❜✉❞❣❡& ❝♦♥$&!❛✐♥& ❝❛$❡

■❢ ✇❡ ❛%%✉♠❡ ❛✇❛② "❤❡ ❜✉❞❣❡" ❝♦♥%"$❛✐♥"✱ "❤❡ ✜$%"✲♦$❞❡$ ♦♣"✐♠❛❧✐"② ❝♦♥❞✐"✐♦♥% ♦❢ "❤❡ ❧❡❛❞❡$

❜❡❝♦♠❡✿

˙

µD = N

pKM

KCµDQδM(L+τ−pE)

, µD(T) = 2(1−α)(D(T)−Db),✭✷✾✮

Z T

0

∂HL

∂τ dt = 0⇔ −δµQ Z T

0

Ddt= 0, ✭✸✵✮

Z T

0

∂HL

∂φ dt = 0⇔ Z T

0

µDdt= 0. ✭✸✶✮

✇✐"❤D˙✱Q˙ ❛♥❞µ˙Q ❛% ❜❡❢♦$❡✱ %❡❡ ❆♣♣❡♥❞✐①✱ ❡/✉❛"✐♦♥% ✭✸✹✮✱ ✭✸✽✮ ❛♥❞ ✭✸✾✮✳

❙♦❧✈✐♥❣ "❤❡ ❞✐✛❡$❡♥"✐❛❧ ❡/✉❛"✐♦♥% ♦❢ /✉❛♥"✐"② ❛♥❞ /✉❛❧✐"② ②✐❡❧❞%✱ ❛% ❜❡❢♦$❡✱

D(t, φ) = e−ρtD(0) + Θ(φ)(1−e−ρt), Q(t, φ, τ) = Q0−Λ(τ)

(D0−Θ(φ))

ρ (1−e−ρt) + Θ(φ)t

.

✶✵

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