Autour de la frontière libre d'une équation parabolique avance-rétrograde

On the free boundary of a forward-backward parabolic equation

• Auteur / Autrice : Théo Belin
• Direction : Pauline Lafitte
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques appliquées
• Date : Soutenance le 10/12/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de mathématiques Hadamard (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Mathématiques et informatique pour la complexité et les systèmes (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2006-....) - Mathématiques et informatique pour la complexité et les systèmes (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2006-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Mathématiques (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Chalons
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvie Monniaux, Boris P. Andreïanov, Claire Chainais-Hillairet, Olaf Klein
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvie Monniaux, Boris P. Andreïanov

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse fonctionnelle

Solutions de viscosité

Équations différentielles paraboliques

Méthodes de volumes finis

Mots clés libres

Analyse numérique : volumes finis

EDP paraboliques

Problèmes à frontière libre

Solutions de viscosité

Analyse fonctionnelle

Equations d'évolution non locales en temps

Numerical analysis : finite volumes

Parabolic PDEs

Free boundary problems

Viscosity solutions

Functional analysis

Nonlocal equations in time

Résumé

Dans cette thèse, nous nous intéressons à un problème parabolique de type avance-rétrograde ainsi que la frontière libre qui en découle. L'équation modélise un changement de phase dirigé par un problème de Stefan couplé avec un opérateur d'hystérésis non local en temps. Notre étude s'occupe de questions théoriques et numériques soulevées par ce type d'équations non locales en temps, notamment autour de la frontière libre.Premièrement nous établissons une équivalence entre des inégalités d'entropie associées au problème avance-rétrograde et une formulation faible de l'opérateur d'hystérésis. Cette découverte motive la construction d'un schéma numérique de type volumes finis, en dimension quelconque d'espace, dont nous démontrons la convergence vers une solution. La compacité de la suite de solutions approchées repose sur l'inégalité de Hilpert. Des expériences numériques en dimensions 1 et 2 étayent ces résultats et montrent le comportement la frontière libre.Ensuite nous établissons un cadre général de solutions de viscosité pour des équations de propagation de front qui sont non locales en espace et en temps. Elles peuvent notamment inclure un couplage avec une équation d'évolution interne. Un théorème de comparaison strict ainsi qu'un théorème d'existence issu de la méthode de Perron sont démontrés. Le problème de Stefan ainsi que quelques variations de ce problème rentrent dans ce cadre général.Enfin, motivés par l'étude des équations paraboliques en domaines variables en temps apparaissant dans les couplages des équations de front, nous démontrons de nouveaux résultats de régularité maximale dans les espaces de Lebesgues. Un intérêt particulier est porté sur l'estimation précise de la constante de régularité pour les opérateurs non-autonomes et relativement continus. Ces résultats sont à l'origine de nouvelles hypothèses de croissance garantissant l'existence de solutions fortes et globales à des problèmes quasi-linéaires abstraits sur un interval en temps borné.

In this thesis, we focus on a forward-backward parabolic problem and the free boundary arising from it. The equation models a phase change driven by a Stefan problem coupled with a time nonlocal hysteresis operator. Our study deals with some theoretical and numerical aspects raised by this type of time nonlocal equation, in particular regarding the free boundary.First, we establish an equivalence between entropy inequalities associated with the problem and a weak formulation of the hysteresis operator. This discovery motivates the construction of a finite-volume numerical scheme whose convergence to a solution is shown. The compactness of the sequence of approximate solutions is based on Hilpert's inequality. Numerical experiments in dimensions 1 and 2 support these results and illustrate the behaviour of the free boundary.Next we establish a general framework of viscosity solutions for front propagation problems which are nonlocl in space and time. They may include a coupling with a bulk evolution equation. A strict comparison theorem and an existence theorem derived from Perron's method are proved. The Stefan problem and some variations of it fall within this general framework.Finally, motivated by the study of parabolic equations in time-varying domains appearing in couplings of front propagation problems, we prove new results of maximal regularity in Lebesgue spaces. Of particular interest is the precise estimation of the regularity constant for nonautonomous and relatively continuous operators. These results lead to new growth conditions guaranteeing the existence of strong global solutions to abstract quasi-linear problems on a bounded time interval.