Opérateur trace
Un opĂ©rateur trace est un opĂ©rateur mathĂ©matique mis en Ćuvre 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.
Origine
Soit Ω un ouvert bornĂ© de l'espace euclidien ân avec une frontiĂšre de classe C1[1] âΩ. 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 âΩ. 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 âΩ 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|âΩ de u sur âΩ est dĂ©finie comme la limite de la suite des restrictions un|âΩ.
Construction de l'opérateur trace
Afin de définir rigoureusement la notion de restriction d'une fonction dans un espace de Sobolev, soit un réel p ℠1. Considérons l'opérateur linéaire
dĂ©fini sur l'ensemble des fonctions de classe C1 sur Ω Ă valeurs dans l'espace Lp(âΩ), 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|âΩ 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|âΩ) converge dans Lp(âΩ) 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
- Haïm Brezis, Analyse fonctionnelle : théorie et applications [détail des éditions]
- (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
- Un ouvert Ω de RN est dit de classe C1, si au voisinage de tout point de âΩ, il existe un diffĂ©omorphisme de classe C1 qui redresse la frontiĂšre en un hyperplan de RNâ1 et Ω en un des demi-espaces limitĂ© par cet hyperplan.
- (en) Cet article est partiellement ou en totalitĂ© issu de lâarticle de WikipĂ©dia en anglais intitulĂ© « Trace operator » (voir la liste des auteurs).