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Beobachtbarkeitsungleichung und Exakte Steuerbarkeit

4.3 Exakte Steuerbarkeit

4.3.2 Beobachtbarkeitsungleichung und Exakte Steuerbarkeit

Z

(α+λ2)ϑ2tdx− CλK,1

Z

|√

SDv|2dx≥ −max

α+λ2 ,Cλ

K,1 min{ρ3,1} E(t) und damit auch

E(t)≥ E(0)eα1tf ¨urt0, wobeiα1:= max

α+λ2 ,Cλ

K,1

min{ρ3,1} .

Korollar 4.3.3. F ¨ur allt0 undV0D(A) =D(A)gilt

kV0k2Heα1t ≤ kS(t)V0k2H= kS(t)V0k2H≤ kV0k2Heα2t, wobei(S(t))t0die zu(S(t))t0dualeC0-Halbgruppe bezeichnet.

4.3.2 Beobachtbarkeitsungleichung und Exakte Steuerbarkeit

Um die L ¨osbarkeit des exakten Randsteuerungsproblems 4.1.3 in der Klasse derL2-Steuerungen zu beweisen, gen ¨ugt nach Satz B.2.3 zu zeigen, dass der zum Steuerungszustandsoperator

LT: L2((0,T),(L2(Γ1))4)→ H, u 7→

Z T

0 S1(Tt)Bu(t)dt

duale OperatorLTf ¨ur hinreichend großeT>0 einen stetigen Inversen besitzt, wobei(S1(t))t0 die Erweiterung von(S(t))t0auf H1bezeichnet (s. Satz A.1.20). Ist B ein zul¨assiger Steue-rungsoperator, so ist diese Bedingung dazu ¨aquivalent, dass f ¨ur das duale Problem die soge-nannte Beobachtbarkeitsungleichung

Z T

0 kBS(t)V0k2UdtCTkV0k2Hf ¨ur alleV0D(A)

mit einemCT >0 gilt. Die Halbgruppe(S(t))t0stellt den L ¨osungsoperator f ¨ur die Gleichung Vt(t) =AV(t)f ¨urt >0, V(0) =V0

dar. Unter Beachtung der Struktur vonA

A =A0+Ar= −A0+Ar,

wobeiAr ein beschr¨ankter Operator ist, bekommen wir wegen (4.28) ein ¨aquivalentes System zweiter Ordnung

ρ1wttK((wx1+ψ)x1+ (wx2+ϕ)x2) +R1(ξ,ξ,ξt) =0, ρ2ψttD(ψx1x1+ 12µψx2x2+1+2µϕx1x2) +K(ψ+wx1) +γϑtx1+R2(ξ,ξ,ξt) =0, ρ2ϕttD(ϕx2x2+ 12µϕx1x1+ 1+2µψx1x2) +K(ψ+wx1) +γϑtx2+R3(ξ,ξ,ξt) =0, ρ3ϑttωϑ+αϑ+γ(ψtx1 +ϕtx2) +R4(ξ,ξ,ξt) =0

(4.47)

in(0,Tmit den

Rand-w=ψ= ϕ=0 in(0,TΓ0, K(∂w∂ν +ν1ψ+ν2ϕ) =0 in[0,TΓ1, D(ν1ψx1+µν1ϕx2+12µ(ψx2 +ϕx1)ν2) =0 in(0,TΓ1, D(ν2ϕx2+µν2ψx1 +12µ(ψx2 +ϕx1)ν1) =0 in(0,TΓ1

(4.48)

und den Anfangsbedingungen

w(0) =w0, wt(0) =w1, ψ(0) =ψ0, ψt(0) =ψ1,

ϕ(0) = ϕ0, ϕt(0) = ϕ1, ϑ(0) =ϑ0, ϑt(0) =ϑ1, (4.49) wobeiξ = (w,ψ,ϕ,ϑ)und

R= (R1, . . . ,R4): (HΓ10())4×(L2())4×2×(L2())4 →(L2())4 ein beschr¨ankter linearer Operator ist, welcher entsprechend durchArdefiniert ist.

Ferner erkl¨aren wir die R¨aume

X := (L2())4, V := (HΓ10())4

mit der ¨ublichen Produkttopologie und f ¨uhren die Bilinearformc: X × X →R, (w,v,ϑ; ˆw, ˆv, ˆϑ)7→ ρ1

Z

wwdxˆ +ρ2

Z

v·vdxˆ +ρ3

Z

ϑϑdx,ˆ sowie die Bilinearforma: V × V →R,

(w,v,ϑ; ˆw, ˆv, ˆϑ)7→(Ka1+a2+a3)(w,v,ϑ; ˆw, ˆv, ˆϑ), ein, wobei

a1:(w,ψ,ϕ,ϑ; ˆw, ˆψ, ˆϕ, ˆϑ)7→

Z

(wx1+ψ)(wˆx1+ψˆ) + (wx2 +ϕ)(wˆx2+ϕˆ)dx, a2:(w,ψ,ϕ,ϑ; ˆw, ˆψ, ˆϕ, ˆϑ)7→

D Z

ψx1ψˆx1 +ϕx2ϕˆx2+µψx1ϕˆx2+µϕx2ψˆx1+ 12µ(ψx2+ϕx1)(ψˆx2 +ϕˆx1)dx, a3:(w,ψ,ϕ,ϑ; ˆw, ˆψ, ˆϕ, ˆϑ)7→ω

Z

ϑ· ∇ϑdxˆ +η Z

ϑϑdx.ˆ

Definition 4.3.4. Seix0R2und seim: R2R2,x7→ xx0. Wir definieren die Funktionale integrieren ¨uber die Zeitvariable und finden

Ic+Ia+IΓ0+Iγ+IR

Nun formen wir die Integrale in (4.53) geschickt um.

i) Wir beginnen mit Ic und sehen uns einen typischen Term genau an. Mit partieller benutzt haben. Formt man die restlichen Terme analog um, so folgt

Ic=Y1+ ii) Nun analysieren wir die Terme in Ia. Die Bilinearformena1 und a2 lassen sich dabei

ge-nauso wie in [42], Theorem 4.1, behandeln. Man bekommt a1(w,ψ,ϕ,ϑ; m· ∇w,m· ∇ψ,m· ∇ϕ,m· ∇ϑ)

Im Gegensatz zur rein mechanischen Situation in [42] m ¨ussen wir nocha3umzuformen.

iv) Ein weiterer Unterschied zu den rein elastischen Gleichungen ist der Kopplungterm Iγ. Diesen kann man wie folgt behandeln

Iγ =γ Die Funktionale ˜Y, ˜Yenthalten die bei der partiellen Integration entstehenden Randter-me. So gilt

Mit Satz 4.3.2 ergibt sich die Absch¨atzung

gilt, bekommen wir unter Beachtung von Z

wobeiε >0 zun¨achst beliebig ist.

Fasst man (4.53), (4.54), (4.55) und (4.56) zusammen, so folgt Z T Um die im Satz behauptete Aussage zu beweisen, bleibt uns die St ¨orterme auf der linken Seite von (4.60) zu beseitigen oder geschickt abzusch¨atzen sowie ein Vielfaches vona(wt,ψt,ϕt,ϑt) durch geschickte Wahl von ˆw, ˆψ, ˆϕ, ˆϑ zu produzieren. Dabei richten wir uns zum Teil an den Beweis von [42, Theorem 4.1].

Seiε>0 beliebig. Nun multiplizieren wir (4.61) mitε, (4.62) mit 1ε, ziehen das Resultat von

Wendet man die YOUNGsche Ungleichung an

w2x1 +w2x212(wx1+ψ)2+ (wx2+ϕ)2−(ψ2+ϕ2), so folgt mit der KORNschen Ungleichung

εK

Damit l¨asst sich (4.63) wie folgt absch¨atzen (1−)ρ1

f ¨ur einε >0 absch¨atzen. Unter Benutzung von (4.59) und (4.65) erhalten wir (CECR)

Z T

0 E(t)dt+Y+Y˜J2J1J0Jγ (4.67)

Nun wenden wir den Satz 4.3.2 auf (4.67) und (4.66) an und bekommen schließlich CTE(0):=1eαα1T

1 (CECR)−(CY +CY˜)E(0)≤ J2J1J0Jγ.

SeienT,α>0 fest. Wir w¨ahlenε> 0 so klein, dassCE >0 gilt. Ferner seienε,minmax{{K,D,ω,ηρ123}} >0 so klein, dassCR< CE ist. Dann werdenε,minmax{{K,D,ω,ηρ123}},γeventuell so verkleinert, dassCT >0 gilt (zu beachten ist, dassα1inγmonoton falled ist). Die Konstantenwahl war nach

Vorausset-zung m ¨oglich.

Bemerkung 4.3.6. Wenn man die genaue Gestalt vonR4 = αtϑtim Beweis von Lemma 4.3.5 ausnutzt, kann man die Voraussetzungen von Lemma 4.3.5 abschw¨achen: Es muss geltenλ≤ 2αund

maxn

max{1,kmk}max{1,γ,λ}minmax{{K,D,ω,ηρ123}}, max{1,kmk}max{1,α}minρ{3ω,η}, γo

cT, indem man die Parameterαund K, Dvoneinander entkoppelt. Diese Voraussetzung ist z. B.

von hinreichend d ¨unnen Platten (Plattendickeh →0 und damitρ1,ρ2 →0), deren Relaxations-parameter (proportional zuτ0) und W¨armedehnungskoeffizient (proportional zuγ) gen ¨ugend klein sind, erf ¨ullt.

Voraussetzung 4.3.7. Damit die FunktionaleJ0,J1,J2aufΓ0bzw.Γ1positiv sind, ben ¨otigen wir eine geometrische Voraussetzung an die MengenΓ0undΓ1: Es existiere einx0R2so, dass

m·ν0 aufΓ0undm·νσaufΓ1gilt. (4.68) Ein Tripel(01)mit der Eigenschaft (4.68) heißt stark sternkomplement¨ar-sternf ¨ormig.

Die Bedingung 4.3.7 findet man typischerweise in der Literatur ¨uber die Randwertsteuerbarkeit von hyperbolischen Systemen durch ROBINsche oder NEUMANNsche Randsteuerungen (cf.

[11], [42], [43], [45]). Gleichung (4.68) hat ihren Ursprung in der Streutheorie: es besteht ein Zusammenhang zwischen der Energiedissipation und der Streuung durch ein reflektierendes Hindernis (s. [73] und [43, Chapter 1.2], vgl. auch [5]).

Satz 4.3.8. Unter Voraussetzung 4.3.7 sowie den Bedingungen von Satz 4.3.5 gibt es eine Kon-stanteCT >0 so, dass

i) km1kCTE(0)≤ 12RT 0

R

Γ1(ρ1w2t +ρ2ψ2t +ρ2ϕt+ρ3ϑ2t)dΓdt, ii) RT

0 kBS(t)V0k2UdtCTkV0k2Hf ¨ur alleV0D(A)

gilt, wobei(w,ψ,ϕ,ϑ)eine L ¨osung des dualen homogenen Problems (4.47)–(4.49) ist.

Beweis:

i) Unter Beachtung vonψxi =νiψν,ϕxi = νiϕν,i=1, 2, findet man durch Umformen J0= 1

2 Z T

0

Z

Γ0(m·ν)D

(ν1ψν+ν2ϕν)2+12µ(ν2ψνν1ϕν)2+ Kw2ν+ωϑ2ν+ηϑ2 dΓdt≥0.

Die KORNschen Ungleichung liefert die Absch¨atzung J1 = 1

2 Z T

0

Z

Γ1(m·ν)D

(ν1ψν+ν2ϕν)2+ 12µ(ν2ψν+ν1ϕν)2+ K(∂w∂ν)2+ω(∂ϑ∂ν)2+ηϑ2 dxdt ≥ σ2min{CK,ω,η}

Z T 0

Z

Γ1|∇ξ|2dxdt.

Desweiteren gilt

J2km2k

Z T

0

Z

Γ1(ρ1w2t +ρ2ψ2t +ρ2ϕt+ρ3ϑ2t)dΓdt.

Nun spalten wir Jγgem¨aß Jγ =cγmax{1,kmk}Z T

0

Z

Γ1(|t(w,ψ,ϕ,ϑ)|2dxdt+|∇(w,ψ,ϕ,ϑ)|2)dxdt

Jγ,t+Jγ,x

auf. Es gilt

Jγ,tc2J2:= min{ρ2cγ

123}J2, Jγ,xc1J1 := σmin{cCγ

K,ω,η}J1, woraus sich

CTE(0)≤(1−c1)J2−(1−c0)J1

ergibt. F ¨ur hinreichend kleineγsind 1−c1und 1−c0positiv. Damit folgt 0< 2CT

1c1E0

Z T 0

Z

Γ1(ρ1w2t +ρ2ψ2t +ρ2ϕt+ρ3ϑ2t)dΓdt.

ii) Wir setzenV(t):=S(t)V0. Unter Benutzung der Gestalt vonA01ergibt sich (V4,V5,V6) = ((A01V)1,(A01V)2,(A01V)3).

Miti)folgt Z T

0

Z

Γ1k((A0V)1,(A0V)2,(A0V)3)(t)|Γ1k2Udt=

Z T

0

Z

Γ1k(V4,V5,V6)(t)|Γ1k2Udt

=

Z T

0

Z

Γ1(w2t +ψt2+ϕ2t +ϑ2t)dΓdt≥ km1kE(0) = km2k

kV0k2H. Korollar 4.3.9. Das Randsteuerungsproblem 4.1.3 ist in der Klasse der L2(Γ1)-Steuerungen exakt l ¨osbar: Unter Voraussetzungen von Satz 4.3.8 gibt es zu jedem Anfangs- bzw. Endzu-stand(w0,ψ0,ϕ0,ϑ0) ∈ (HΓ10())4bzw.(wT,ψT,ϕT,ϑT) ∈ (HΓ10())4 eine Steuerungsfunkti-onuL2((0,T),(L2(Γ1))4), welche die sich zum Zeitpunktt = 0 im Anfangszustand befin-dende Zustandsgr ¨oße(w,ψ,ϕ,ϑ) (gegeben als schwache L ¨osung der partiellen Differential-gleichung) in den Endzustand lenkt.

Beweis:Die Behauptung folgt mit Satz B.2.3.

Die Einschr¨ankung an die Koeffizienten stellt einen wesentlichen Unterschied zu den rein elastischen REISSNER-MINDLIN-Gleichungen dar. Im Gegensatz zum thermoelastischen Pro-blem (4.41)–(4.43) ist das SteuerungsproPro-blem durch NEUMANNchen Randsteurungen im rein elastischen Fall f ¨ur alle Koeffizienten l ¨osbar, sofern T hinreichend groß ist. Dass eine solche Einschr¨ankung in der dissipativen Situation technisch unabdingbar ist, kann man auch f ¨ur die ged¨ampfte Wellengleichung beobachten. L ´opez et al. haben in [53] ein verteiltes Steuerungs-problem

εwtt− △w+wt = χωu in(0,∞)×, w = 0 in(0,∞)×Γ, w(0) =w0, wt(0) = w1 inΩ

studiert, wobeiΩ ⊂ Rn ein beschr¨anktes Gebiet mit einemC-RandΓist undχω die Indika-torfunktion einer offenen Mengeω,

Γ0(x0):= {xΓ|(xx0ν>0} ⊂ωf ¨ur einx0Rn

bezeichnet. Die Kleinheitsbedingung an ε war wichtig, um unter Benutzung einer globalen CARLEMAN-Ungleichung die Beobachtbarkeitsungleichung

kϕ0k2L2()+kϕ1k2H1()C1(T)eC2(T)/ε Z T

0

Z

ωϕ2dxdt (4.69)

f ¨ur das duale System

εϕtt− △ϕϕt = χωu in(0,∞)×, ϕ = 0 in(0,∞)×Γ, ϕ(0) = ϕ0, ϕt(0) = ϕ1 inΩ

zu bewiesen.