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Opérateur trace

Un opĂ©rateur trace est un opĂ©rateur mathĂ©matique mis en Ɠuvre dans des Ă©tudes d'existence et d'unicitĂ© de solutions aux problĂšmes avec conditions aux limites. L'opĂ©rateur trace permet aussi au moyen d'une formulation dans un espace de Sobolev d'Ă©tendre au bord d'un domaine la notion de restriction d'une fonction.

Une fonction définie sur un rectangle (surface en rouge, figure du haut) et sa trace (en bas, courbe rouge).

Origine

Soit Ω un ouvert bornĂ© de l'espace euclidien ℝn avec une frontiĂšre de classe C1[1] ∂Ω. Si u est une fonction C1 (ou simplement continue) sur l'adhĂ©rence Ω de Ω, sa restriction est bien dĂ©finie et continue sur ∂Ω. Si de plus u est la solution d'une Ă©quation aux dĂ©rivĂ©es partielles donnĂ©e, elle est en gĂ©nĂ©ral une formulation faible, qui appartient donc Ă  un certain espace de Sobolev. Les fonctions d'un tel espace ne sont gĂ©nĂ©ralement pas continues et sont dĂ©finies seulement sur Ω (et mĂȘme seulement Ă  Ă©galitĂ© prĂšs presque partout), donc leur restriction Ă  ∂Ω n'a aucun sens. Il vient que la restriction simple d'une fonction ne peut pas ĂȘtre utilisĂ©e pour dĂ©finir clairement une solution gĂ©nĂ©rale d'une Ă©quation aux dĂ©rivĂ©es partielles avec des conditions aux limites de Ω donnĂ©es.

On peut contourner cette difficultĂ© en considĂ©rant que tout Ă©lĂ©ment u d'un espace de Sobolev peut ĂȘtre mal dĂ©fini en tant que fonction, mais peut toutefois ĂȘtre approchĂ© par une suite (un) de fonctions de classe C1 dĂ©finies sur l'adhĂ©rence de Ω. Alors, la restriction u|∂Ω de u sur ∂Ω est dĂ©finie comme la limite de la suite des restrictions un|∂Ω.

Construction de l'opérateur trace

Afin de dĂ©finir rigoureusement la notion de restriction d'une fonction dans un espace de Sobolev, soit un rĂ©el p ≄ 1. ConsidĂ©rons l'opĂ©rateur linĂ©aire

dĂ©fini sur l'ensemble des fonctions de classe C1 sur Ω Ă  valeurs dans l'espace Lp(∂Ω), vĂ©rifiant

Le domaine de T est un sous-ensemble de l'espace de Sobolev W1,p(Ω).

Il existe une constante C, dépendant uniquement de Ω et p, telle que

Alors, comme les fonctions C1 sur Ω sont denses dans W1,p(Ω), l'opérateur T admet un unique prolongement continu (donc, lui aussi, linéaire)

dĂ©fini sur l'espace entier W1,p(Ω). T est appelĂ© opĂ©rateur trace. La restriction (ou trace) u|∂Ω d'une fonction u de W1,p(Ω) est alors donnĂ©e par Tu.

Puisque ce prolongement T est sĂ©quentiellement continu, pour toute suite (un) de fonctions de classe C1 sur Ω qui converge dans W1,p(Ω) vers u, la suite (un|∂Ω) converge dans Lp(∂Ω) vers Tu.

Application

Considérons la résolution de l'équation de Poisson avec des conditions aux limites de Dirichlet :

Ici, est une fonction continue donnée sur Ω.

Grùce au concept de trace, on définit, dans l'espace de Sobolev H1(Ω) := W1,2(Ω), le sous-espace H1
0
(Ω) des fonctions de trace nulle. Alors l'équation admet la formulation faible suivante :

Trouver telle que
pour tout dans H1
0
(Ω).

Par le théorÚme de Lax-Milgram, on peut démontrer que ce problÚme admet une unique solution, et donc que l'équation de Poisson a une solution faible unique.

Un raisonnement similaire peut ĂȘtre utilisĂ© pour prouver l'existence et l'unicitĂ© de solutions dans le cas d'autres Ă©quations aux dĂ©rivĂ©es partielles avec des conditions aux limites diffĂ©rentes, telles les conditions de Neumann ou de Robin, la notion de trace Ă©tant importante dans ces cas.

Bibliographie

  • HaĂŻm Brezis, Analyse fonctionnelle : thĂ©orie et applications [dĂ©tail des Ă©ditions]
  • (en) Lawrence C. Evans, Partial differential equations, Providence, R.I., AMS, , 2e Ă©d. (1re Ă©d. 1998), 749 p. (ISBN 978-0-8218-4974-3, lire en ligne), p. 174

Notes et références

  1. Un ouvert Ω de RN est dit de classe C1, si au voisinage de tout point de ∂Ω, il existe un diffĂ©omorphisme de classe C1 qui redresse la frontiĂšre en un hyperplan de RN−1 et Ω en un des demi-espaces limitĂ© par cet hyperplan.
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