一類退化半線性橢圓方程支配系統的最優控制條件

張 敬，高 夯

(1.齊齊哈爾大學理學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2.東北師范大學數學與統計學院，吉林 長春 130024)

一類退化半線性橢圓方程支配系統的最優控制條件

張 敬1，高 夯2

(1.齊齊哈爾大學理學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2.東北師范大學數學與統計學院，吉林 長春 130024)

研究了一類由退化半線性橢圓方程所支配的分布參數系統的最優控制問題.當退化點集的測度為零時，利用正則化方法和變分思想，得到了該分布參數系統最優控制所滿足的必要條件.

退化半線性橢圓方程；最優控制；正則化方法；變分思想；最大值原理

1 問題的提出

1986年E.Casas在文獻[1]中研究了一類帶有第一類邊界條件的線性橢圓方程的最優控制問題，從而開始了橢圓系統的最優控制問題研究.隨后J.F.Bonnans和D.Tiba等人先后在文獻[2-4]中研究了半線性橢圓系統的最優控制問題.伴隨著近年來對退化半線性橢圓方程研究工作的不斷開展[5-8]，退化半線性橢圓系統的最優控制問題逐漸成為一個新的研究課題.

本文討論退化半線性橢圓方程支配的系統

(1)

其中Ω?Rn(n≥2)是具有光滑邊界?Ω的有界區域.?x∈Ω，控制函數u(x)∈U，而U為Rm中的有界閉集.

作如下假設：

(P2)f:Ω×R×U→R滿足：?(y，u)∈R×U，f(·，y，u)是有界可測的；?(x，u)∈Ω×U，f(x，·，u)∈C1(R)；?(x，y)∈Ω×R，f(x，y，·)∈C(U)；且?(x，y，u)∈Ω×R×U，-α≤fy(x，y，u)≤-β，α與β為正常數.

注1 若取a(x)=|x|α，αr<1，Ω=B1(O)?Rn，則|x|α滿足(P1)所有假設條件.

定義范數

定義1 稱y(·)∈H(Ω)是方程(1)的一個廣義解，當且僅當對任意的φ∈H(Ω)，

(y，φ)=∫Ωf(x，y，u)φdx.

引理1[5]假設(P1)—(P2)成立，對任意的u(·)∈Uad，方程(1)存在唯一的廣義解y(·)∈H(Ω).

在Uad上定義指標泛函

J(u(·))=∫Ωf0(x，y(x)，u(x))dx.

作如下假設：

最后，如果將“被”看成一個類詞綴就意味著“被XX”是一個詞，詞最小的可以獨立運用的語言單位，不能再分的。而在“被XX”結構中“被”和“XX”之間所隱匿的成分補出不會引起結構意義發生改變[13]。

(P3)f0:Ω×R×U→R滿足：?(y，u)∈R×U，f0(·，y，u)是有界可測的；?(x，u)∈Ω×U，f0(x，·，u)∈C1(R)；?(x，y)∈Ω×R，f0(x，y，·)∈C(U).

通過考慮方程(1)的正則化問題，利用變分思想給出了退化半線性橢圓方程支配系統(1)的最優對所滿足的Pontryagin最大值原理.

成立，其中

而ψ(·)∈H(Ω)滿足

(2)

2 狀態方程的變分

先來討論方程(1)的正則化問題

(3)

(4)

(5)

(4)與(5)式相減得

由假設(P2)，上式可化為

利用Cauchy不等式并整理得

再由Young不等式有

由(4)式可得

其中C1為與δ無關的常數.由橢圓方程理論[9]知

(6)

其中C2為與δ無關的常數.

由假設(P1)及(6)式可知

再由嵌入定理[10]知

即

(7)

(8)

證明 ?u(·)∈Uad，?η∈(0，1)，?Eη?Ω，滿足|Eη|=η|Ω|，定義

若yη(·)為方程(3)相應于uη(·)的解，則有

(9)

(9)與(4)式相減得

(10)

從而

(11)

由橢圓方程解的有界性估計理論有

再由嵌入定理知

即

(12)

(13)

注意到

由Minkowski不等式知

而

這里B為Lq(Ω)中的單位球.故?ε>0，?φ0(·)∈B，使得

由文獻[3]知，?ε>0，?Eη?Ω，滿足|Eη|=η|Ω|，使得

故

即

綜上所述，

‖Yη‖W1，p(Ω)≤C，

再由嵌入定理知

|Yη|

(14)

下面證明當η→0時，Yη(·)→Yδ(·)，其中Yδ(·)滿足方程

(15)

將(13)與(15)式相減得

(16)

因而

(17)

進一步有

由(12)與(14)式知

又因

由前面證明可知，?ε>0，?Eη?Ω，滿足|Eη|=η|Ω|，使得

即

‖Yη-Yδ‖W1，p(Ω)→0，η→0.

再由嵌入定理知

|Yη-Yδ|→0，η→0.

令η→0，由(13)式可知(15)式即為Yδ(·)滿足的方程.

下面證明當δ→0時，Yδ(·)→Y(·)，其中Y(·)滿足方程(8).

將(15)式兩端同乘Yδ，并在Ω上積分，利用Young不等式和假設(P2)有

(18)

(19)

?φ∈H(Ω)，有

(20)

再由(19)式知，存在Y(·)∈H(Ω)和Yδ(·)的一個子列，不妨記為其本身，令δ→0有

Yδ(·)→Y(·)，δ→0.

(21)

且

(22)

利用(7)，(20)，(21)和(22)式，令η→0，δ→0，由方程(15)即得方程(8)，亦稱方程(8)為方程(1)的變分方程.

3 主要定理的證明

定理1的證明 對指標泛函作變分

令η→0，δ→0，利用假設(P3)上式化為

(23)

設變分方程(8)的對偶方程為方程(2)，利用此對偶方程，(23)式可化為

再由變分方程(8)得

(24)

由(24)式可得

(25)

將(25)式除以ρ，再令ρ→0，由Lebesgue點定義得

由于H(x，u)的Lebesgue點集在Ω中稠密，因此

[1] CASAS E. Control of an elliptic problem with pointwise state constraints[J]. SIAM J Control Optim，1986，24(6):1309-1318.

[2] BONNANS J F，TIBA D.Pontryagin’s pyinciple in the control of semilinear variational inequalities [J].Appl Math Optim，1991，23(2):299-312.

[3] 高夯.半線性橢圓方程支配系統的最優條件[J].數學學報，2001，44(2)：319-332.

[4] YE YUQUAN，CHEN Q.Optimal control of the obstacle in a quasilinear semilinear variational inequalities [J].J Math Anal Appl，2004，29(4):258-272.

[5] OLEINIK O A，RADKEVIC E V.Second order equations with nonnegative characteristic form [M].New York：Springer，1973，28-70.

[6] CACDIROLI P，MUSINA R.On a variational degenerate elliptic problem [J].Nonlinear Differ Equ Appl，2000，7:187-199.

[7] 何躍.一類二階退化半線性橢圓型方程邊值問題的適定性和解的正則性[J].數學年刊，2004，25(2):225-242.

[8] 萬寶成，李建，王增輝.一類擬線性橢圓型方程非平凡解的存在性[J].東北師大學報(自然科學版)，2013，45(2):25-29.

[9] 伍卓群，尹景學，王春朋.橢圓與拋物型方程引論 [M].北京：科學出版社，2003:199-211.

[10] ADAMS R A，FOURNIER J J F.Sobolev Space[M].2nd ed.Singapore:Elsevier Pte Ltd，2003:79-101.

(責任編輯：李亞軍)

Condition of optimal control for system governed by a class of degenerate semilinear elliptic equation

ZHANG Jin1，GAO Hang2

(1.School of Science，Qiqihar University，Qiqihar 161006，China； 2.School of Mathematics and Statistics，Northeast Normal University，Changchun 130024，China)

Optimal control problems for distributed parameter system governed by a class of degenerate semilinear elliptic equation are considered.When the measure of degenerate-points is zero，necessary condition for optimal control of the distributed parameter system is obtained by using regularization method and variational thought.

degenerate semilinear elliptic equation；optimal control；regularization method；variational thought；maximum principle

1000-1832(2015)04-0001-06

10.16163/j.cnki.22-1123/n.2015.04.001

2014-06-30

國家自然科學基金資助項目(11071036)；黑龍江省教育廳科學技術研究項目(12541891).

張敬(1969—)，女，碩士，教授，主要從事控制論與偏微分方程研究；高夯(1956—)，男，博士，教授，博士研究生導師，主要從事控制論與偏微分方程研究.

O 232 [學科代碼] 120·30

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