Introduction to Hamilton-Jacobi Equations and Periodic Homogenization

Similar documents
ABP

Untitled-3

微积分 授课讲义

Vol. 36 ( 2016 ) No. 6 J. of Math. (PRC) HS, (, ) :. HS,. HS. : ; HS ; ; Nesterov MR(2010) : 90C05; 65K05 : O221.1 : A : (2016)

ENGG1410-F Tutorial 6

南京大学(中).doc

Stochastic Processes (XI) Hanjun Zhang School of Mathematics and Computational Science, Xiangtan University 508 YiFu Lou talk 06/






07-3.indd

. () ; () ; (3) ; (4).. () : P.4 3.4; P. A (3). () : P. A (5)(6); B. (3) : P.33 A (9),. (4) : P. B 5, 7(). (5) : P.8 3.3; P ; P.89 A 7. (6) : P.

untitled

2007 GRE Math-Sub Nov 3, 2007 Test time: 170 minutes

中国科学技术大学学位论文模板示例文档

458 (25),. [1 4], [5, 6].,, ( ).,,, ;,,,. Xie Li (28),,. [9] HJB,,,, Legendre [7, 8],.,. 2. ( ), x = x x = x x x2 n x = (x 1, x 2,..., x

Microsoft PowerPoint - ryz_030708_pwo.ppt

水利工程组织管理(一)

( )

untitled

koji-13.dvi

1. PDE u(x, y, ) PDE F (x, y,, u, u x, u y,, u xx, u xy, ) = 0 (1) F x, y,,uu (solution) u (1) u(x, y, )(1)x, y, Ω (1) x, y, u (1) u Ω x, y, Ωx, y, (P

微 分 方 程 是 经 典 数 学 的 一 个 重 要 分 支, 常 用 来 描 述 随 时 间 变 化 的 动 态 系 统, 被 广 泛 应 用 于 物 理 学 工 程 数 学 和 经 济 学 等 领 域. 实 际 上, 系 统 在 随 时 间 的 变 化 过 程 中, 经 常 会 受 到 一 些

, 2016,.51,.1 7, (ε) ;,,, ;,,, [14-15], 2,( ),2,,, [14-15] (), [16],,, [17-18],, [19-20] Ⅰ,, 2 [21-22] ;,, [23],,,

.., + +, +, +, +, +, +,! # # % ( % ( / 0!% ( %! %! % # (!) %!%! # (!!# % ) # (!! # )! % +,! ) ) &.. 1. # % 1 ) 2 % 2 1 #% %! ( & # +! %, %. #( # ( 1 (

# % & ) ) & + %,!# & + #. / / & ) 0 / 1! 2


投影片 1

untitled

Improved Preimage Attacks on AES-like Hash Functions: Applications to Whirlpool and Grøstl

untitled


untitled





untitled


東吳大學

Microsoft PowerPoint - CH 04 Techniques of Circuit Analysis



➀ ➁ ➂ ➃ ➄ ➅ ➆ ➇ ➈ ➉ Lecture on Stochastic Processes (by Lijun Bo) 2


穨control.PDF


untitled

ii


[9] R Ã : (1) x 0 R A(x 0 ) = 1; (2) α [0 1] Ã α = {x A(x) α} = [A α A α ]. A(x) Ã. R R. Ã 1 m x m α x m α > 0; α A(x) = 1 x m m x m +




Regenerative Processes


致 谢 本 人 自 2008 年 6 月 从 上 海 外 国 语 大 学 毕 业 之 后, 于 2010 年 3 月 再 次 进 入 上 外, 非 常 有 幸 成 为 汉 语 国 际 教 育 专 业 的 研 究 生 回 顾 三 年 以 来 的 学 习 和 生 活, 顿 时 感 觉 这 段 时 间 也

Microsoft Word _4

郑州大学(下).doc

厨房小知识(六)

广 东 纺 织 职 业 技 术 学 院 发 展 党 员 公 示 制 实 施 办 法 关 于 推 荐 优 秀 团 员 作 为 党 的 发 展 对 象 工 作 的 意 见 后 勤 管 理 工 作 广 东 纺 织 职 业 技 术 学 院 新 引 进 教 职 工 周 转 房 管 理


游戏攻略大全(五十).doc

金融英语证书考试大纲


健康知识(二)

中南财经大学(二).doc

广西大学(一).doc

根据学校教学工作安排,2011年9月19日正式开课,也是我校迁址蓬莱的第一学期开学

山东大学(一).doc

2

主 编 : 杨 林 副 主 编 : 张 新 民 邹 兰 曹 纯 纯 周 秋 婷 李 雅 清 黄 囡 囡 评 审 顾 问 : 杨 林 张 新 民 评 审 : 张 新 民 邹 兰 曹 纯 纯 周 秋 婷 李 雅 清 黄 囡 囡 李 忆 萍 徐 如 雪 文 字 编 辑 : 曹 纯 纯 邹 兰 李 雅 清

最新文物管理执法全书(十四).doc

园林常识(二).doc

前 言 二 一 六 年 四 月 四 日, 兒 童 節, 誕 生 了 一 件 美 事 : 中 國 作 家 曹 文 軒 在 意 大 利 博 洛 尼 亞 國 際 童 書 展 榮 獲 國 際 安 徒 生 文 學 獎, 是 該 獎 創 設 六 十 年 來, 第 一 位 摘 桂 的 中 國 作 家, 意 義 重

湖 南 科 技 大 学

上海外国语大学(二).doc

2009 陳 敦 德

切 实 加 强 职 业 院 校 学 生 实 践 能 力 和 职 业 技 能 的 培 养 周 济 在 职 业 教 育 实 训 基 地 建 设 工 作 会 议 上 的 讲 话 深 化 教 育 教 学 改 革 推 进 体 制 机 制 创 新 全 面 提 高 高 等 职 业 教 育 质 量 在

鸽子(三)

兽药基础知识(四)

园林植物卷(十).doc

园林植物卷(十七).doc

临床手术应用(三)

家装知识(二十)

医疗知识小百科

家庭万事通(一)

家装知识(三)

园林绿化(一)

园林植物卷(十五).doc

最新监察执法全书(一百五十).doc

兽药基础知识(三)

奥运档案(四).doc

最新监察执法全书(五十).doc

最新执法工作手册(三百八十四)

中华美食大全4

动物杂谈_二_.doc

抗非典英雄赞歌(三)

Transcription:

Introduction to Hamilton-Jacobi Equations and Periodic Yu-Yu Liu NCKU Math August 22, 2012 Yu-Yu Liu (NCKU Math) H-J equation and August 22, 2012 1 / 15

H-J equations H-J equations A Hamilton-Jacobi equation is a first order equation { H(Du, u, x) = 0, x Ω u = 0, x Ω May not have C 1 solutions { u = 1, x ( 1, 1) u( 1) = u(1) = 0 Solutions are defined in viscosity sense. [Crandall-Lions 83] Yu-Yu Liu (NCKU Math) H-J equation and August 22, 2012 2 / 15

Viscosity Solution 1 H-J equations Given u C(Ω) and x Ω. Define the super-differential and sub-differential of u at x: D + u(x) = {p R n : u(y) u(x) + p (y x) + o( y x ), y x} D u(x) = {p R n : u(y) u(x) + p (y x) + o( y x ), y x} u is a viscosity subsolution if H(p, u(x), x) 0, x Ω, p D + u(x). u is a viscosity supersolution if H(p, u(x), x) 0, x Ω, p D u(x). u C(Ω) is a viscosity solution if u is both a subsolution and supersolution. Yu-Yu Liu (NCKU Math) H-J equation and August 22, 2012 3 / 15

Viscosity Solution 2 H-J equations u USC(Ω) is a viscosity subsolution if for any φ C 1 (Ω) such that u φ reaches maximum at x 0 and u(x 0 ) = φ(x 0 ), then H(Dφ(x 0 ), φ(x 0 ), x 0 ) 0. u LSC(Ω) is a viscosity supersolution if for any φ C 1 (Ω) such that u φ reaches minimum at x 0 and u(x 0 ) = φ(x 0 ), then H(Dφ(x 0 ), φ(x 0 ), x 0 ) 0. Viscosity solutions of 2nd order PDE [Crandall-Ishii-Lions 92] Yu-Yu Liu (NCKU Math) H-J equation and August 22, 2012 4 / 15

H-J equations Viscosity Solution 3 (Vanishing Viscosity) If u ɛ is the smooth solution of H(Du ɛ, u ɛ, x) = ɛ u ɛ and u ɛ u locally uniformly as ɛ 0, then u is a viscosity solution. u(x) = 1 x is the unique viscosity solution of { u = 1, x ( 1, 1) u( 1) = u(1) = 0 (Regularity) Suppose that H(p, u, x) is coercive in variable p: lim H(p, u, x) = + uniformly in u, x p + then the viscosity solution is locally Lipschitz continuous. Yu-Yu Liu (NCKU Math) H-J equation and August 22, 2012 5 / 15

Optimal Control Optimal Control Consider the ODE with control: { y (s) = f (y(s), α(s)), t < s < T y(t) = x x R n : initial point at time t. T : terminal time. f : R n A R n bounded and Lipschitz. A: compact subset in R m α( ) A: set of the admissible control: A = {α : [t, T ] A α( ) is measurable}. Control problem: find α( ) which optimizes the cost functional: C x,t [α( )] = T t r(y(s), α(s))ds + g(y(t )), y( ) solves the ODE. r : R n A R: running cost. g : R n R: terminal cost. Yu-Yu Liu (NCKU Math) H-J equation and August 22, 2012 6 / 15

H-J-B equation Optimal Control Define the value function as u(x, t) = inf C x,t[α( )] α( ) A (Hamilton-Jacobi-Bellman equation) u is the unique viscosity solution of the terminal value problem: { ut + min a A {f (x, a) Du + r(x, a)} = 0 in Rn (0, T ) u(x, T ) = g(x) on R n {t = T }. Yu-Yu Liu (NCKU Math) H-J equation and August 22, 2012 7 / 15

G-equation Optimal Control Choose A = B sl (0) R n, f (x, a) = V (x) + a R n, r(x, a) 0: min a B sl (0) {( V (x) + a) p} = V (x) p s L p The viscosity solution of { ut V (x) Du s L Du = 0 in R n (0, T ) u(x, T ) = g(x) on R n {t = T } is given by u(x, t) = inf g(y(t )), α( ) A where the infimum is over all trajectories y : [t, T ] R n satisfying { y (s) = V (y(s)) + α(s), t < s < T y(t) = x and the control α(s) s L. Yu-Yu Liu (NCKU Math) H-J equation and August 22, 2012 8 / 15

For the media involving microscopic self-repeating environments, the process to extract the macroscopic average out. Heat conduction in composite material: { ( A ɛ u ɛ ) = f, x Ω u ɛ = 0, x Ω A ɛ = A( x ɛ ) Rn n : thermal conductivity tensor A(y): 1-periodic, uniformly positive definite of elliptic PDE: as ɛ 0, u ɛ ū (in some sense) the solution of { ( Ā ū ) = f, x Ω ū = 0, x Ω Ā: homogenized conductivity tensor Yu-Yu Liu (NCKU Math) H-J equation and August 22, 2012 9 / 15

1D case 1D problem: d ( ( x ) ) du ɛ a = f, 0 < x < L dx ɛ dx u ɛ (0) = u ɛ (L) = 0 a(y): 1-periodic, 0 < α a(y) β <. As ɛ 0, u ɛ ū the solution of d ( ā dū ) = f, 0 < x < L dx dx ū(0) = ū(l) = 0 where ā is the harmonic mean of a(y): ( 1 ) 1 1 ā = a(y) dy 0 Yu-Yu Liu (NCKU Math) H-J equation and August 22, 2012 10 / 15

of H-J Periodic homogenization of Hamilton-Jacobi equation [Lions-Papanicolaou-Varadhan 86]: ( ut ɛ + H Du ɛ, x ) = 0 ɛ As ɛ 0, u ɛ ū the solution of H: effective Hamiltonian ū t + H(Dū) = 0 (i) H(p, y) is continuous and periodic in y (ii) H(p, y) is bounded in y for bounded p (iii) H(p, y) is coercive in p uniformly in y: H(p, y) as p Yu-Yu Liu (NCKU Math) H-J equation and August 22, 2012 11 / 15

Asymptotic Expansion Two-scale asymptotic expansion: u ɛ (x, t) = u 0 (x, t) + ɛu 1 ( x, x ɛ, t ) + x: slow variable, y = x ɛ : fast variable u 1 (x, y, t): periodic in y Leading order: u ɛ t = u 0 t + ɛu 1 t + Du ɛ = D x u 0 + D y u 1 + ɛd x u 0 u 0 t + H(D x u 0 + D y u 1, y) = 0 should be independent of variable y Yu-Yu Liu (NCKU Math) H-J equation and August 22, 2012 12 / 15

Cell Problem (Cell Problem) Given any P R n, find unique number H = H(P) such that the equation has a periodic solution v(y). H(P + Dv, y) = H, y T n For λ > 0, let v (λ) be the unique periodic viscosity solution of H(P + Dv (λ), y) = λv (λ), y T n Due to the coercivity, u (λ) is Lipschitz continuous uniformly in λ. As λ 0, λu (λ) H uniformly in y and u (λ) u the viscosity solution of the cell problem. Yu-Yu Liu (NCKU Math) H-J equation and August 22, 2012 13 / 15

Result For ɛ > 0, assume that u ɛ is the unique viscosity solution of { u ɛ t + H ( Du ɛ, x ) ɛ = 0 u ɛ. (x, 0) = g(x) Then as ɛ 0, u ɛ converges uniformly to ū the unique viscosity solution of the following effective equation: { ūt + H(Dū) = 0, ū(x, 0) = g(x) where H is given by the cell problem. Proof: perturbed test function method [Evans 89] of nonlinear 2nd order PDE [Evans 92] Yu-Yu Liu (NCKU Math) H-J equation and August 22, 2012 14 / 15

Computing Effective Hamiltonian So solve the cell problem numerically, consider the evolution equation [Qian 03]: { vt + H(P + Dv, y) = 0 in T n (0, ) v(x, 0) = 0 on T n {t = 0}. Due to the coercivity of H, the effective Hamiltonian can be approximated as: v(x, t) H = lim, t + t which converges uniformly in x. Yu-Yu Liu (NCKU Math) H-J equation and August 22, 2012 15 / 15