Etude numérique et théorique du profil à l’explosion dans les équations paraboliques non linéaires

Numerical and theorical study of the blow-up profile in nonlinear parabolic equations

• Auteur / Autrice : Van Tien Nguyen
• Direction : Hatem Zaag, Linda El Alaoui Lakhnati
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques
• Date : Soutenance le 11/12/2014
• Etablissement(s) : Paris 13
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Analyse, géométrie et applications (LAGA) (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Jury : Président / Présidente : Frederic Weissler
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Raphael, Jérémie Szeftel
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Julio D. Rossi, Slim Tayachi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Explosions

Équations aux dérivées partielles non linéaires

Équation de la chaleur

Théorie de Ginzburg-Landau

Mots clés libres

Profil à l'explosion

Blow-up profile

Résumé

On s’intéresse au phénomène d’explosion en temps fini dans les équations aux dérivées partielles paraboliques non linéaires, particulièrement au profil à l’explosion, des points de vue numérique et théorique. Dans la partie théorique, on s’intéresse au phénomène d’explosion en temps fini pour une classe d’équations semi linéaires de la chaleur perturbées fortement avec l’exposant sous-critique de Sobolev. Travaillant dans le cadre des variables auto-similaires, on obtient d’abord l’existence d’une fonctionnelle de Lyapunov, ce qui constitue une étape cruciale pour établir le taux d’explosion de la solution. Dans une seconde étape, on s’intéresse à la structure de la solution au voisinage du temps et du point d’explosion. On classifie tous les comportements asymptotiques possibles pour la solution quand elle s’approche de la singularité. Ensuite, on décrit les profils à l’explosion correspondant à ces comportements asymptotiques. Dans une troisième étape, on construit pour cette équation une solution qui explose en temps fini en un seul point avec un profil d’explosion prescrit. Cette construction s’appuie sur la réduction en dimension finie du problème et sur l’utilisation du théorème de l’indice pour conclure. Dans la partie numérique, on se propose de développer des méthodes afin de donner des réponses numériques à la question du profil à l’explosion pour certaines équations paraboliques, y compris le modèle de Ginzburg-Landau. Nous proposons deux méthodes. La première est l’algorithme de remise à l’échelle (rescaling) proposé par Bergeret Kohn en 1988, appliqué à des équations paraboliques satisfaisant une propriété d’invariance d’échelle. Cette propriété nous permet de faire un zoom de la solution quand elle est proche de la singularité, tout en gardant la même équation. Le principal avantage de cette méthode est sa capacité à donner une très bonne approximation numérique qui nous permet d’atteindre numériquement le profil à l’explosion. Le profil à l’explosion que l’on obtient numériquement est en bon accord avec le profil théorique. De plus, en considérant une équation de la chaleur non linéaire critique avec un terme de gradient non linéaire, avec peu de résultats théoriques, nous énonçons une conjecture sur le profil à l’explosion, grâce à nos simulations numériques. La deuxième méthode numérique s’appuie aussi sur un raffinement de maillage, dans l’esprit de l’algorithme de remise à l’échelle de Berger et Kohn. Cette méthode est applicable à une plus grande classe d’équations dont les solutions explosent en temps fini sans la propriété d’invariance d’échelle.

We are interested in finite-time blow-up phenomena arising in the study of Nonlinear Parabolic Partial Differential Equations, in particular in the blow-up profile, under the theoretical and numerical aspects. In the theoretical direction, we are interested in particular in finite-time blow-up phenomena for some class of strongly perturbed semilinear heat equations with Sobolev subcritical power nonlinearity. Working in the frameworkof similarity variables, we first derive a Lyapunov functional in similarity variables which is a crucial step to derive the blow-up rate of the solution. In a second step, we are interested in the structure of the solution near blow-uptime and point. We classify all possible asymptotic behaviors of the solution when it approaches to the singularity.Then we describe blow-up profiles corresponding to these asymptotic behaviors. In a third step, we construct for this equation a solution which blows up in finite time at only one blow-up point with a prescribed blow-up profile. The construction relies on the reduction of the problem to a finite dimensional one and the use of index theory to conclude. In the numerical direction, we intend to develop methods in order to give numerical answers to the question of the blow-up profile for some parabolic equations including the Ginzburg-Landau model. We propose two methods.The first one is the rescaling algorithm proposed by Berger and Kohn in 1988 applied to parabolic equations which are invariant under a scaling transformation. This scaling property allows us to make a zoom of the solution when it is close to the singularity, still keeping the same equation. The main advantage of this method is its ability to give a very good numerical approximation allowing to attain the numerical blow-up profile. The blow-up profile we obtain numerically is in good accordance with the theoretical one. Moreover, by applying the method to a critical nonlinear heat equation with a nonlinear gradient term, where almost nothing is known, we give a conjecture for its blow-up profile thanks to our numerical simulations. The second one is a new mesh-refinement method inspired by the rescaling algorithm of Berger and Kohn, which is applicable to more general equations, in particular those with no scaling invariance.