Définition d'une solution d'une EdP

Comme je l'indiquais dans un autre poste pour une autre question, je rédige un devoir pour mes étudiants portant sur la résolution (rigoureuse) de l'équation des ondes.

On souhaite déterminer les fonctions $u:[0,1]\times \mathbb{R}_+\to\mathbb{R}$ vérifiant \[
\dfrac{\partial^2 u}{\partial x^2} = \dfrac{\partial^2 u}{\partial t^2}\qquad (E)\]
avec les conditions initiales
\[\forall x\in [0,1],\quad u(x,0)=p(x)\quad\text{et}\quad \dfrac{\partial u}{\partial x}(x,0)=q(x).\qquad (CI)

\] Mon problème : Toutes les ressources que j'ai pu consulter restent très floues sur la régularité de $u$. Dans tous les cours que j'ai eu l'occasion de voir (même ceux portant sur les EdP), les dérivées partielles sont toujours définies pour une application définie sur un ouvert. J'aurais donc tendance à considérer que l'on demande que l'équation (E) soit vérifiée sur $]0,1[\times\mathbb{R}_+^\ast$, mais cela pose deux problèmes.
- Le comportement de $u$ à l'intérieur du domaine n'a pas de lien avec son comportement au bord sans hypothèse supplémentaire (Peut-être faut-il demander que $u$ soit continue sur le domaine complet ?).
- Quelle sens donner à la seconde condition de (CI) ? La dérivée partielle est considérée sur un point au bord du domaine.

Au vue des remarques ci-dessus, j'ai l'impression qu'il vaut mieux étendre la définition des dérivées partielles sur une partie non nécessairement ouverte (vue la régularité du domaine, je ne pense pas que cela pose de problèmes) et considérer que l'on cherche une solution $u$ de classe $C^2$ sur $[0,1]\times \mathbb{R}_+$.

Quelqu'un avec plus de connaissances sur ces sujets pourrait-il m'indiquer si c'est dans ce sens qu'il faut raisonner.

Réponses

  • Tu peux définir tes solutions seulement sur $\mathcal C^2(]0,1[\,\times \R^*_+,\R)$ et définir tes conditions initiales et/ou au bord comme des limites. Par exemple:
    $$\forall x \in \,]0,1[\,,\quad \lim_{t\to 0^+} u(x,t) = p(x) \quad \text{et} \quad \lim_{t\to 0^+} \frac{\partial u}{\partial t}(x,t) = q(x).$$
    et si tu as des conditions au bord nulles ($u(t,0) = u(t,1) = 0$ pour tout $t > 0$):
    $$\forall t > 0\,,\quad \lim_{x\to 0^+} u(x,t) = 0 \quad \text{et} \quad \lim_{x\to 1^-} u(t,x) = 0.$$

    Cela évite tout problème de régularité!

    En fait tu cherches des solutions qui se prolongent (à $x$ fixé) en $t=0$ en une application $\mathcal C^1$ donc tu peux aussi chercher tes solution dans des espaces du style $\mathcal C^2(]0,1[\,\times \R^*_+,\R) \cap \mathcal C^1(]0,1[\,\times \R_+,\R)$ mais en fait ça revient un peu à faire la même chose que ci-dessus.

    Le problème est dans les "coins" $(x,t) = (0,0)$ et $(x,t) = (1,0)$ pour définir l'espace $\mathcal C^k$ qui va bien...

    En fait ces questions ne sont pas super pertinentes d'un point de vue EDP parce qu'en pratique, on résout ces équations au sens faible (et alors les conditions au bord et aux limites n'apparaissent plus "en dur"), et seulement a posteriori on vérifie quelle est la régularité de la solution.
  • Merci Héhéhé pour ta réponse éclairante.
    La meilleure solution pour rester dans le cadre de mon programme est d'utiliser ta suggestion avec les limites pour les conditions initiales et au bord.

    Concernant ta dernière remarque sur les solutions faibles, je m'en doutais un peu, mais comme je rédige le problème pour un niveau deuxième année, il fallait que je trouve une autre solution.

    Merci beaucoup!
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