Existence and regularity results for some shape optimization problems

par Bozhidar Velichkov

Thèse de doctorat en Mathématiques appliquées

Sous la direction de Giuseppe Buttazzo et de Dorin Bucur.

Le président du jury était Luigi Ambrosio.

Le jury était composé de Edouard Oudet, Michel Pierre, Andrea Carlo Giuseppe Mennucci.

Les rapporteurs étaient Antoine Henrot, Gianni Dal Maso.

  • Titre traduit

    Résultats d'existence et régularité pour des problèmes d'optimisation de forme


  • Résumé

    Les problèmes d'optimisation de forme sont présents naturellement en physique, ingénierie, biologie, etc. Ils visent à répondre à différentes questions telles que:-A quoi une aile d'avion parfaite pourrait ressembler?-Comment faire pour réduire la résistance d'un objet en mouvement dans un gaz ou un fluide?-Comment construire une structure élastique de rigidité maximale?-Quel est le comportement d'un système de cellules en interaction?Pour des exemples précis et autres applications de l'optimisation de forme nous renvoyons à [20] et [69]. Ici, nous traitons les aspects mathématiques théoriques de l'optimisation de forme, concernant l'existence d'ensembles optimaux ainsi que leur régularité. Dans toutes les situations que l'on considère, la fonctionnelle dépend de la solution d'une certaine équation aux dérivées partielles posée sur la forme inconnue. Nous allons parfois se référer à cette fonction comme une fonction d'état.Les fonctions d'état les plus simples, mais qui apparaissent dans beaucoup de problèmes, sont données par les solutions des équations -Δw = 1 et -Δu = λu,qui sont liées à la torsion et aux modes d'oscillation d'un objet donné. Notre étude se concentrera principalement sur ces fonctionnelles de formes, impliquant la torsion et le spectre.[20] D. Bucur, G. Buttazzo: Variational Methods in Shape Optimization Problems. Progress in Nonlinear Differential Equations 65, Birkhauser Verlag, Basel (2005).[69] A. Henrot, M. Pierre: Variation et optimisation de formes: une analyse geometrique. Springer-Berlag, Berlin, 2005.


  • Résumé

    The shape optimization problems naturally appear in engineering and biology. They aim to answer questions as:-What a perfect wing may look like?-How to minimize the resistance of a moving object in a gas or a fluid?-How to build a rod of maximal rigidity?-What is the behaviour of a system of cells?The shape optimization appears also in physics, mainly in electrodynamics and in the systems presenting both classical and quantum mechanics behaviour. For explicit examples and furtheraccount on the applications of the shape optimization we refer to the books [20] and [69]. Here we deal with the theoretical mathematical aspects of the shape optimization, concerning existence of optimal sets and their regularity. In all the practical situations above, the shape of the object in study is determined by a functional depending on the solution of a given partial differential equation. We will sometimes refer to this function as a state function.The simplest state functions are provided by solutions of the equations−∆w = 1 and −∆u = λu,which usually represent the torsion rigidity and the oscillation modes of a given object. Thus our study will be concentrated mainly on the situations, in which these state functions appear,i.e. when the optimality is intended with respect to energy and spectral functionals. [20] D. Bucur, G. Buttazzo: Variational Methods in Shape Optimization Problems. Progress in Nonlinear Differential Equations 65, Birkhauser Verlag, Basel (2005).[69] A. Henrot, M. Pierre: Variation et optimisation de formes: une analyse geometrique. Springer-Berlag, Berlin, 2005.


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